Логопериодическая дипольная антенна Российский патент 2024 года по МПК H01Q11/10 

Предлагаемое изобретение - логопериодическая дипольная антенна (ЛПДА) относится к области антенной техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использована как самостоятельная, стоящая отдельно антенна инфокоммуникационных систем, так и в качестве базового излучающего элемента (БИЭ) в волноводных фазированных антенных решетках (ФАР) радиолокационных устройств опознавания, наведения и сопровождения.

Актуальность разработки таких антенн обусловлена не снижающимися требованиями к антенным системам с дипольными излучателями в отношении их согласования с источниками сигналов СВЧ, имеющими апертурные выходы в виде волноводных фланцев, улучшения массогабаритных показателей, а также упрощения технологии монтажных, компоновочных и регулировочных работ при сборке и настройке волноводных антенных систем. Для обеспечения современных требований и тенденций целесообразно разработать компактные волноводные ЛПДА, пригодные для непосредственного подключения к фланцам выходных прямоугольных волноводов источников сигналов СВЧ, таких как отражательные клистроны типа К-55, К-60, К-80 и тому подобное, когда волноводный выход (фланец) должен быть сопряжен как электрически, так и конструктивно-технологически с дипольными излучателями антенных систем с линейной поляризацией радиоволн.

Известна ЛПДА, описанная 27 августа 2011 года в патенте РФ № 2427946 под названием «Логопериодическая комбинированная антенна». В этой антенне для расширения диапазона рабочих частот применены симметричные вибраторы (другими словами: диполи) с изменённой формой плеч в нижней части диапазона рабочих частот. В верхней части упомянутого диапазона в предложенной антенне используется дополнительно введенный модуль в микрополосковом исполнении. Компоновочная схема описанной антенны содержит также симметрирующе-согласующие устройства, дополненные ферритовым кольцом или трансфлюкторами. В антенне имеется также практически квадратный рефлектор (см. фиг. 1 её Описания), который вряд ли способствует сокращению габаритов. Кроме того, антенна питается коаксиальным кабелем, что требует использования дополнительного коаксиально-волноводного перехода в случае применения источников сигналов с выходными волноводными фланцами.

В результате, описанную в патенте РФ № 2427946 объёмную, состоящую из трёх модулей ЛПДА с радиопрозрачным защитным колпаком (строка 49 страницы 6 её Описания) оправдано применять лишь как отдельно стоящую антенну при приёме телевизионных сигналов, когда условия эксплуатации ограничены в основном климатическим и гололёдно-ветровым районированием территории Российской Федерации. И ожидать/надеяться, что такую антенну можно адаптировать к построению антенных систем с питанием от прямоугольных волноводов вряд ли целесообразно.

Известна также ЛПДА, описанная 10 октября 2000 года в патенте РФ № 2157582 под названием «Логопериодическая комбинированная антенна». Она предназначена для приёма телевизионных сигналов в диапазоне частот 48,5-862 МГц, где излучаются телевизионные сигналы с 1-го по 69-й канал метрового и дециметрового диапазонов. Конструкция антенны базируется на использовании вибраторов/диполей в виде стальных стержней, закреплённых посредством сварки на двух несущих трубах, в одной из которых расположен питающий коаксиальный кабель. Антенна содержит также дополнительный фрагмент в виде стакана из диэлектрического материала, в котором смонтирована согласующая схема для симметрирования, фильтрации, усиления и электрической связи частей антенны.

Однако, для питания описанной антенны в диапазоне частот порядка 900 МГц прямоугольные волноводы используются крайне редко ввиду значительных геометрических размеров их поперечных сечений. К тому же, компоновочная схема ЛПДА, предложенная в патенте РФ № 2157582, весьма громоздка, и её адаптация к диапазонам частот 5-10 ГГц, где применяются источники СВЧ-сигналов с выходными волноводными фланцами, представляется весьма проблематичной и сопряжённой со значительными конструктивно-технологическими ограничениями, начиная уже со сварки элементов конструкции из стали, которая в диапазоне СВЧ практически не используется из-за значительных диссипативных потерь.

Известна также ЛПДА, описанная 26 апреля 2005 года в патенте США № 6885350 под названием “Microstrip fed log periodic antenna”. Из краткой характеристики (Abstract) этого патента следует, что предложенная антенна характеризуется более простым изготовлением и пониженным уровнем интермодуляционных наводок. Это достигается размещением над плоской металлической заземлённой пластиной двух параллельных металлических плоских вытянутых тонких ортогональных проводников (в оригинале использовано слово “trunk” – ствол), разделенных небольшим диэлектрическим зазором. Каждый из ортогональных проводников имеет чередующиеся узкие ленточные отводы-продолжения, ориентированные параллельно заземлённой пластине. Длина отводов прогрессивно увеличивается, начиная с малых значений при вершине ортогональных проводников в направлении заземлённой пластины. На этой пластине реализована питающая микрополосковая линия, переходящая в полосковую линию над плоскостью одного из ортогональных проводников. Последняя переходит на вершине на сторону второго ортогонального проводника, обеспечивая питание ЛПДА от источника СВЧ-сигнала коаксиальным кабелем через соответствующий коаксиально-микрополосковый переход/разъём.

Однако, при использовании прямоугольного волновода для питания описанной ЛПДА возникают существенные затруднения конструктивно-компоновочного характера. Кроме того, полосковые линии над плоскостями обоих ортогональных проводников реализованы без какой-либо экранировки (см. фиг. 1 Описания упомянутого патента). Последнее приводит к существенному излучению части питающего СВЧ-сигнала с поверхностей ничем не экранированных полосковых линий. Интенсивность этого излучения растёт с увеличением частоты и может быть ещё приемлемой на частотах до 500-700 МГц. Но на более высоких частотах, где для питания применяются прямоугольные волноводы, уровень упомянутого излучения становится неприемлемым, приводя к ощутимым потерям питающего СВЧ-сигнала за счёт нежелательного/паразитного излучения неэкранированных питающих полосковых линий.

Известна также ЛПДА, описанная 18 апреля 2006 года в патенте США № 7030829 под названием “Transmission line conductor for log-periodic dipole array”. Эта антенна содержит два параллельных вытянутых объёмных проводника, один из которых - пустотелый. В нём проложен коаксиальный кабель, наружный проводник (оплётка) которого гальванически соединён с одним из концов первого объёмного проводника. Внутренний проводник (жила) упомянутого коаксиального кабеля гальванически соединён со смежным концом второго объёмного проводника. К этим концам гальванически присоединяется самый короткий (высокочастотный) диполь, образуя вершину ЛПДА, в направлении которой формируется максимум излучения электромагнитной энергии. Имеются также ещё несколько диполей с прогрессивно увеличивающимися длинами, так что самый длинный (низкочастотный) диполь присоединятся гальванически к противоположным смежным концам обоих параллельных вытянутых объёмных проводников.

Однако, описанная ЛПДА характеризуется значительными габаритами и плохо приспособлена для питания непосредственно от прямоугольного волновода, так как при использовании коаксиального кабеля, смонтированного внутри одного из двух параллельных вытянутых объёмных проводников, необходимо установить на широкой стенке питающего прямоугольного волновода коаксиальный разъём. Таким образом, и эта антенна плохо приспособлена для питания её непосредственно от фланцев выходных прямоугольных волноводов источников СВЧ-сигналов.

Известна также волноводно-дипольная антенна (линейная волноводно-вибраторная антенна), описанная в работе: М.С. Жук, Ю.Б. Молочков, «Проектирование антенно-фидерных устройств», М.: Л.: «Энергия», 1966, 648 стр., фрагмент на стр. 270–271. И хотя эта антенна не является логопериодической, крайний слева элемент её выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Упомянутая антенна содержит питающий прямоугольный волновод, один из фланцев которого является входом антенны, и излучающий полуволновый диполь, образованный парой идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников с двумя смежными и двумя удаленными концами. Эта пара расположена над широкой стенкой волновода так, что её ось параллельна широкой стенке волновода, а смежные концы находятся в непосредственной близости. Антенна содержит также отрезок коаксиальной линии, расположенный перпендикулярно упомянутой широкой стенке волновода, причем нижний конец наружного проводника отрезка коаксиала гальванически соединен со стенкой волновода, а нижний конец его внутреннего проводника погружен во внутриволноводное пространство сквозь выполненное на оси широкой стенки волновода отверстие. При этом наружный проводник отрезка коаксиальной линии расщеплён на две идентичные половины в форме жёлоба посредством двух идентичных узких щелей, выполненных по всей длине отрезка напротив друг друга, причем верхний конец первой из половин в форме желоба гальванически соединён с верхним концом внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии. В то же время, первый смежный конец пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен с верхним концом первой половины в форме жёлоба, а второй смежный конец пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен с верхним концом второй половины в форме жёлоба. При этом оба удалённых конца пары тонких излучающих проводников (другими словами: удалённых конца обеих половин полуволнового диполя) разомкнуты.

В результате, рабочая полоса частот описанной антенны определяется диапазонными свойствами «электрически тонкого» полуволнового диполя, которые характеризуются относительной полосой рабочих частот, не превышающей (4...6)% (см. работу «Устройства СВЧ и антенны». Учебник / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радиотехника, 2016, 560 стр.). И хотя антенна имеет волноводный фланец, удобный для соединения с волноводными источниками сигнала (типа вышеупомянутых перестраиваемых отражательных клистронов К-55, К-60, К-80), её широкополосность из-за полуволнового диполя не удовлетворяет современным требованиям. Кроме того, поскольку рабочая полоса частот прямоугольного волновода на основном типе колебаний равна одной октаве (относительная полоса пропускания 66%), то применение полуволнового диполя фактически препятствует полному использованию диапазонных свойств прямоугольного волновода на основном типе колебаний. И только применение логопериодической дипольной излучающей структуры, диапазонные свойства которой достигают двух или трёх октав, позволит задействовать диапазонные свойства прямоугольного волновода на основной волне по максимуму возможного, обеспечив тем самым коэффициент перекрытия диапазона, близкий к значению 2:1 [другими словами: обеспечив полосу рабочих частот одна октава (относительная полоса 66%)].

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание волноводно-питаемой логопериодической дипольной антенны, обеспечивающей повышение производственной и эксплуатационной технологичности антенных систем, питаемых непосредственно от выходных фланцев генераторов сверхвысоких частот.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известную волноводно-дипольную антенну, содержащую питающий прямоугольный волновод, один из входов которого является входом антенны, первую пару идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников с двумя смежными и двумя удалёнными концами, расположенных над его широкой стенкой так, что их смежные концы находятся в непосредственной близости, отрезок коаксиальной линии, расположенный перпендикулярно упомянутой широкой стенке волновода, причем нижний конец наружного проводника отрезка гальванически соединен со стенкой волновода, а нижний конец его внутреннего проводника погружен во внутриволноводное пространство сквозь выполненное на оси широкой стенки волновода отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру наружного проводника отрезка, при этом наружный проводник отрезка коаксиальной линии расщеплён на две идентичные половины в форме жёлоба посредством двух идентичных узких щелей, выполненных по всей длине отрезка напротив друг друга, причем верхний конец первой из половин в форме желоба гальванически соединён с верхним концом внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, при этом первый смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен с первой половиной в форме жёлоба, второй смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен со второй половиной в форме жёлоба, а оба удалённых конца первой пары тонких излучающих проводников разомкнуты, дополнительно введены тонкая проводящая пластина, длина и ширина которой равны соответствующим размерам поперечного сечения волновода, а также произвольное число пар тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников с двумя смежными и двумя удалёнными концами, причём длина проводников этих пар прогрессивно уменьшается по сравнению с длиной проводников первой пары, при этом расстояния между осями тонких излучающих коллинеарных проводников соседних пар одинаково, а их смежные концы гальванически соединены с идентичными половинами в форме жёлоба, причем первый смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников соединен с нижним концом первой половиной в форме жёлоба, второй смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников соединен с нижним концом второй половины в форме жёлоба,

при этом удаленные концы проводников всех пар расположены на пересекающихся под углом 70 градусов прямых линиях, проходящих через удаленные концы проводников первой и последней пары, причем первый и второй смежные концы всех нечётных по счёту пар проводников, начиная с первой пары, гальванически соединены соответственно с первой и второй половинами в форме жёлоба, первый и второй смежные концы всех чётных по счёту пар проводников гальванически соединены соответственно со второй и первой половинами в форме жёлоба, а области соединения смежных концов всех пар тонких излучающих проводников с половинами в форме жёлоба локализованы на кромках узких щелей, при этом тонкая проводящая пластина закорачивает волновод со стороны, противоположной входу антенны, расстояние от центра отверстия, выполненного на оси широкой стенки волновода, до упомянутой пластины равно длине излучающих проводников первой пары, а расстояние от центра упомянутого отверстия до входа антенны произвольно.

На фиг. 1 изображена структурно-компоновочная схема логопериодической дипольной антенны, питаемой прямоугольным волноводом; на фиг. 2 – поперечное сечение фрагмента антенны в области перехода электромагнитной энергии из волновода в отрезок коаксиальной линии (при работе антенны в режиме излучения) и, наоборот (при работе антенны в режиме приёма); на фиг. 3 – излучающая логопериодическая дипольная структура предлагаемой антенны; на фиг. 4 – фронтальный вид излучающей структуры с её ключевыми размерами; на фиг. 5 – антенна с указанием её базовых размеров; на фиг. 6 – вид сверху на первую и вторую пары тонких коллинеарных цилиндрических излучающих проводников; на фиг. 7 – теоретическая и экспериментальная частотные характеристики модуля входного коэффициента отражения предлагаемой логопериодической дипольной антенны; на фиг. 8 – теоретическая и экспериментальная диаграммы направленности предлагаемой антенны в плоскости электрического вектора Е; на фиг. 9 – вариант реализации предлагаемой антенны на узкой стенке прямоугольного волновода; на фиг. 10 – вариант реализации предлагаемой антенны на торце прямоугольного волновода; на фиг. 11 – вариант реализации предлагаемой антенны на торце круглого волновода; на фиг. 12 – пример возбуждения предлагаемой антенны на торце круглого волновода при помощи петлевого коаксиально-волноводного перехода.

Предлагаемая логопериодическая дипольная антенна (ЛПДА) содержит питающий прямоугольный волновод 1, фланцевый вход 2 которого является входом антенны (фиг. 1; здесь фланец условно не показан). ЛПДА содержит также первую пару идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников 3 и 4 с двумя смежными 5, 6 (на фиг. 1 указать позицию 6 не представляется возможным из-за выбранного расположения изображения, - она указана далее на фиг. 4) и двумя удалёнными 7, 8 концами. Коллинеарные проводники 3 и 4 расположены параллельно широкой стенке 9 волновода 1 так, что их смежные концы 5 и 6 находятся достаточно близко друг к другу. Последнее означает, что расстояние между концами 5 и 6 заметно меньше длины излучаемой волны в свободном пространстве, например: . При этом оба излучающих проводника 3 и 4 удовлетворяют общепринятым требованиям «тонкоцилиндровости», когда их радиус составляет (1…2)% от . Антенна содержит также отрезок коаксиальной линии 10, расположенный перпендикулярно упомянутой широкой стенке 9, причём нижний конец 11 наружного проводника отрезка 10 гальванически (например, пайкой) соединён с широкой стенкой 9 волновода 1. При этом нижний конец 12 внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10 погружён во внутриволноводное пространство на глубину сквозь выполненное на оси симметрии широкой стенки 9 волновода 1 отверстие (фиг. 2), диаметр которого равен внутреннему диаметру наружного проводника отрезка коаксиальной линии 10, причём толщина стенки 9 волновода 1 регламентирована Российским стандартом ГОСТ 20900-2014 на прямоугольные волноводы.

В то же время наружный проводник отрезка коаксиальной линии 10 расщеплён на две идентичные половины 13 и 14 в форме жёлоба посредством двух идентичных узких щелей 15 и 16 шириной , выполненных по всей длине отрезка 10 напротив друг друга (фиг. 3), причём верхний конец 17 половины 13 в форме жёлоба гальванически (например, пайкой) соединён металлической перемычкой (фиг. 3, серый цвет) с верхним концом 18 внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10. При этом первый смежный конец 5 первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников 3 и 4 гальванически (например, также пайкой) соединён с первой половиной 13 в форме жёлоба (фиг. 3). В то же время, второй смежный конец 6 первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически (например, также пайкой) соединён со второй половиной 14 в форме жёлоба, а удалённый конец 7 проводника 3 первой пары и удалённый конец 8 проводника 4 этой же первой пары разомкнуты, т.е., находятся в состоянии холостого хода.

Иными словами: проводник 3 присоединён к половине 13 с левой (ориентация согласно фиг. 3) стороны отрезка 10 на задней (ориентация согласно фиг. 3) кромке щели 15, а проводник 4 соединён с половиной 14 с правой стороны отрезка 10 на передней кромке щели 16. Так реализуется своего рода чередование сторон отрезка 10 (т.е. левая или правая его сторона), а также чередование передних и задних кромок щелей 15 и 16 по мере возрастания номеров [т.е., = 2, 3, 4, …, ; - произвольное целое число, определяемое в процессе проектирования ЛПДА (см. далее)] пар тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников, которые формируют логопериодическую дипольную излучающую структуру (фиг. 1, фиг. 3). При этом каждая последующая пара проводников также характеризуется двумя смежными и двумя удалёнными концами, причём длина ( = 1, 2, 3,…, ) проводников каждой пары прогрессивно уменьшается, а расстояния между осями соседних пар тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников выполнены одинаковыми (фиг. 4). Величина зависит от числа пар излучающих проводников и определяется также в процессе проектирования ЛПДА (см. далее). При этом разомкнутые удалённые концы проводников всех пар расположены на пересекающихся под углом 70 градусов прямых линиях, проходящих через удалённые концы проводников первой ( = 1) и последней ( = ) пары, так что на фиг. 4 имеет место равенство: .

Обозначив на фигуре 3 позицией 19 верхний конец половины 14 в форме жёлоба, рассмотрим для конкретизации описанного в предыдущем абзаце процесса чередования сторон отрезка 10, а также передних и задних кромок щелей 15 и 16, ситуацию со второй ( = 2) парой излучающих проводников 20 и 21, имеющих длину каждый (фиг. 4). Эти проводники имеют два смежных 22, 23 и два удалённых разомкнутых конца 24, 25. Теперь для второй пары (=2) излучающих проводников чередование сторон отрезка коаксиала 10 и кромок щелей 15 и 16 вдоль него будет следующим (фиг. 4; на ней щели не просматриваются, поэтому наряду с фиг. 4 следует обращаться также и на фиг. 3). А именно: проводник 20 присоединён к половине 14 с левой (ориентация согласно фиг. 3 и фиг. 4) стороны отрезка 10 на передней (ориентация согласно фиг. 3) кромке щели 15, а проводник 21 присоединён к половине 13 с правой стороны отрезка 10 на задней кромке щели 16, причём все упомянутые выше соединения выполнены гальваническими (например, пайкой). При этом первая (=1) пара излучающих проводников 3 и 4 (фиг. 1, фиг. 4) соединена с нижними концами половин 13 и 14 в форме жёлоба, а вторая (=2) пара излучающих проводников 20 и 21 расположена выше (ориентация согласно фиг. 4) первой пары на расстоянии .

Предлагаемая ЛПДА содержит также тонкую проводящую пластину 26 (фиг. 5), которая гальванически (например, пайкой) соединена с корпусом волновода 1 и реализует короткое замыкание его со стороны, противоположной входу 2 антенны. При этом расстояние от центра отверстия, выполненного на оси широкой стенки 9 волновода 1 для прохождения нижнего конца 12 внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10 во внутри-волноводное пространство (фиг. 2, фиг. 5), до упомянутой пластины 26 равно длине излучающих проводников 3 и 4 первой пары ( = 1): (фиг. 5). В то же время расстояние от центра упомянутого отверстия до входа 2 ЛПДА произвольно и назначается из конструктивно-компоновочных соображений.

Принцип действия предлагаемой ЛПДА состоит в следующем.

Пусть к фланцевому входу 2 (фиг. 1) от генератора с фланцевым выходом (например, отражательный клистрон К-60 или лампа бегущей волны типа УВ-23) подводится гармонический СВЧ-сигнал, амплитуда которого остаётся неизменной в полосе частот с нижней и верхней граничными частотами при центральной частоте . Поданный сигнал возбуждает нижний конец 12 внутреннего проводника отрезка 10 коаксиальной линии, наружный проводник которого состоит из двух идентичных половин 13 и 14 в форме жёлоба (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3). Эти половины образованы двумя идентичными узкими щелями 15 и 16, выполненными (например, фрезерованием) напротив друг друга вдоль всего отрезка 10. При этом вследствие узости щелей 15, 16 и согласно краткого описания свойств отрезка 10 с такими щелями, приведенного в вышеупомянутой работе М.С. Жука, Ю.Б. Молочкова на странице 648, а также согласно более подробного анализа свойств подобного же отрезка коаксиальной линии с продольными щелями, изложенного в более поздней работе S.N. Makarov, R. Ludwig “Analytical model of the split-coaxial balun and its application to a linearly-polarized dipole or a CP turnstile”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, volume 55, no. 7, July 2007, pages 1909–1918, на двух передних (левой и правой) кромках щелей 15, 16 половины 14 в форме жёлоба (фиг. 6; позиция 14: тёмно-серый цвет) наводятся одинаковые СВЧ-напряжения и относительно заземлённого корпуса волновода 1 [ориентация половин 13 и 14, узких щелей 15 и 16, а также кромок этих щелей соответствуют фиг. 3]:

. (1)

Аналогично на двух задних (левой и правой) кромках щелей 15, 16 половины 13 в форме жёлоба (фиг. 6; позиция 13: светло-серый цвет) наводятся одинаковые СВЧ-напряжения и относительно корпуса волновода 1:

. (2)

Однако, несмотря на равенство по модулю этих напряжений (1) и (2)

, (3)

они попарно противофазны, то есть:

; .(4)

Соотношения (4) означают, что тонкие излучающие проводники 3 и 4 первой пары (=1), будучи соединёнными гальванически (например, пайкой) с левой стороной половины 13 в форме жёлоба и с правой стороной половины 14 в форме жёлоба соответственно (фиг. 3, фиг. 6), запитаны в противофазе, так как с учётом (1) из левого равенства (4) следует:

. (5)

В то же время соотношения (4) означают, что тонкие излучающие проводники 20 и 21 второй пары (=2), будучи соединёнными гальванически с левой стороной половины 14 в форме жёлоба и с правой стороной половины 13 в форме жёлоба соответственно (фиг. 3, фиг. 6), запитаны также в противофазе, так как с учётом (1) из правого равенства (4) следует:

. (6)

Другими словами, первый смежный конец 5 излучающего проводника 3 и второй смежный конец 6 излучающего проводника 4 первой пары (=1) [а эта пара – есть классический диполь (он же – вибратор)] возбуждаются в противофазе (фиг. 6), что удовлетворяет требованиям корректного возбуждения классического диполя, изложенным в вышеупомянутой работе М.С. Жука, Ю.Б. Молочкова. Точно также, первый смежный конец 22 излучающего проводника 20 и второй смежный конец 23 излучающего проводника 21 второй пары (=2) [эта пара – есть также классический диполь] возбуждаются также в противофазе (фиг. 6), не нарушая требования корректного питания диполя/вибратора. При этом целесообразно подчеркнуть, что явно видимая на фиг. 6 (где масштаб для лучшего восприятия намеренно увеличен) несоосность тонких излучающих проводников 3 и 4 первой пары ( =1) при практической реализации может не приниматься во внимание (то есть, несоосностью можно пренебречь), так как ширина узких щелей 15 и 16 (фиг. 3, фиг. 6) обычно не велика и составляет 1…1,5 миллиметра:

мм, (7)

в то время как длины и тонких излучающих проводников 3, 4 и 20, 21 соответственно (фиг. 6) составляют обычно несколько десятков миллиметров (см. пример далее).

Аналогично доказывается, что все остальные пары (=) тонких излучающих проводников (фиг. 4) удовлетворяют требованиям корректного питания/возбуждения диполей, изложенным в вышеупомянутой работе М.С. Жука, Ю.Б. Молочкова.

Описанное выше чередование сторон отрезка 10 (т.е. левая или правая его сторона, ориентация согласно фиг. 3 и фиг. 6), а также чередование передних и задних кромок щелей 15 и 16 (ориентация кромок соответствует тем же фиг. 3 и фиг. 6) по мере возрастания номеров пар и убывания длин ( = ), можно квалифицировать как механизм (принцип) пространственной компоновки, обеспечения соответствующего фазирования возбуждения диполей и последующей реализации предлагаемой ЛПДА. Этот принцип весьма схож с процедурой построения плоской логопериодической антенны, описанной в работе Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», М.: Энергия, 1975, стр. 381–383, рис. 11-10(б), рис. 11-11(а). Отличие предлагаемой ЛПДА от только что упомянутых рисунков состоит в том, что линейная решётка симметричных диполей монотонно убывающей длины ( = ; фиг. 4) возбуждается не двухпроводным фидером с перекрещивающимися проводами, а волноводом 1 с переходом СВЧ-энергии сквозь отверстие на его широкой стенке 9 в отрезок 10 коаксиальной линии (фиг. 1). При этом описанное выше чередование сторон отрезка 10 и кромок его щелей 15 и 16 формирует фазовое распределение вдоль симметричных диполей монотонно убывающей длины такое же, как и при использовании двухпроводного фидера с перекрещивающимися проводами. В результате, описание принципа действия предлагаемой ЛПДА целесообразно продолжить тем, что вначале на какой-либо заданной частоте (; соответствующая длина волны ) следует выделить локальную активную область с наибольшими излучающими токами, протекающими на поверхностях локально выделенных диполей. В рамках вполне приемлемого первого приближения эта область включает в себя диполь резонансной длины (размер плеча примерно равен ) и пару диполей, примыкающих к резонансному диполю с противоположных сторон с размерами плеч и . Все остальные диполи из-за значительной расстройки (иными словами: длины их плеч, , , , и так далее, существенно отличаются от ) возбуждаются кромками узких щелей 15 и 16 значительно слабее, и их влиянием на излучаемое антенной электромагнитное поле частоты можно пренебречь. При этом фазовые соотношения между возбуждающими СВЧ-напряжениями и взаимное влияние диполей локальной активной области друг на друга таковы, что более длинный диполь с плечами ведёт себя для сигнала с частотой как локальный рефлектор, так что ток в нём опережает ток резонансного диполя с плечами . В то же время ток в более коротком диполе с плечами отстаёт по фазе от тока на поверхности резонансного диполя, поэтому короткий диполь выступает в роли локального директора. Совместное излучение токов трёх диполей локальной активной области, рассматриваемое как результат интерференции их электромагнитных полей в точках дальней зоны Фраунгофера, усиливается в направлении локального директора с плечами , то есть в сторону вершины предлагаемой ЛПДА, где расположены две клеммы питания всех диполей. Этими клеммами являются:

1) верхний конец 17 половины 13 в форме жёлоба, гальванически соединённый короткой узкой металлической перемычкой толщиной (фиг. 4) с верхним концом 18 (фиг. 3) внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10;

2) верхний конец 19 половины 14 в форме жёлоба (фиг. 3).

В то же время, в сторону волновода 1 совместное излучение трёх диполей локальной активной области существенно ослабляется за счёт влияния локального рефлектора с плечами . Это ослабленное излучение, полностью отражаясь от металлической широкой стенки 9 волновода 1, направляется также в сторону вершины предлагаемой ЛПДА (лежащей на оси Y декартовой системы координат, фиг. 4) и, интерферируя с полями, излучёнными ранее тремя диполями в сторону локального директора с плечами , дополнительно увеличивает интенсивность излучения в точках дальней зоны Фраунгофера, лежащих как на самой оси Y, так и в некотором телесном угле вокруг неё.

В результате по мере изменения частоты в большую или меньшую сторону локальная активная область как бы «движется/перемещается» по излучающему полотну предлагаемой ЛПДА, образованному диполями с монотонно убывающими длинами их плеч (фиг. 4). Так, например, при работе ЛПДА на частоте , близкой к нижней границе (т.е. ), локальная активная область образована локальным рефлектором с плечами , резонансным диполем с плечами и локальным директором с плечами . В то же время при работе заявляемой ЛПДА на частоте , близкой к верхней границе диапазона (т.е. ), локальная активная область образована локальным рефлектором с плечами , резонансным диполем с плечами и локальным директором с плечами . Поэтому геометрические размеры элементов предлагаемой ЛПДА, в том числе длины -тых плеч диполей [они же – -тые пары тонких коллинеарных излучающих проводников (фиг. 4)] могут быть рассчитаны по методике, предложенной для питания логопериодических антенн двухпроводным фидером с перекрещивающимися проводами и описанной в работе: C. Peixeiro “Design of log-periodic dipole antennas”, IEE Proceedings (London), vol. 135, part H, no. 2, pp. 98–102, 1988. Кроме того, по материалам этой работы в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ) издано учебное пособие авторов А.П. Горбачева, Г.С. Шадриной «Антенны», изд-во НГТУ, 2005, 44 стр., pdf-файл которого доступен на сайте научной библиотеки НГТУ имени Г.П. Лыщинского.

В результате перечисленные обстоятельства приводят к формированию электромагнитного излучения в определённом телесном угле вокруг оси Y (фиг. 4) с пространственной диаграммой направленности, максимум которой лежит на этой оси. Количественную оценку интенсивности излучения целесообразно дать с использованием системы электромагнитного моделирования “CST Studio Suite”, бессрочная лицензия на применение которой приобретена Заявителем в 2019 году. Встроенный нелинейный оптимизатор этой системы позволяет подобрать ключевые геометрические размеры фрагментов антенны (иными словами: настроить предлагаемую ЛПДА) с целью добиться её качественного согласования с источником СВЧ-сигнала, имеющего волноводный фланцевый выход. При этом возможно добиться согласования как во всей октавной полосе частот , так и в ряде более узкополосных поддиапазонов, лежащих внутри октавной полосы частот, причём полоса частот должна быть именно октавной [т.е. коэффициент перекрытия этой полосы равен 2: (), а относительная полоса частот равна 66%], так как прямоугольные волноводы используются только в режиме распространения основной/доминантной волны . Результаты оптимизации будут также использоваться далее при изготовлении опытного образца, что позволит ощутимо сократить объём работы и затраты средств по экспериментальной отработке ЛПДА.

Таким образом, при правильной настройке ЛПДА, то есть, при соответствующем расчёте длин тонких излучающих проводников -тых пар () и выверенной реализации одинаковости этих длин с левой и правой сторон отрезка коаксиальной линии 10, возникает ярко выраженный максимум электромагнитного излучения в точках дальней зоны Фраунгофера, лежащих на оси Y (фиг. 4). Конкретные величины геометрических размеров фрагментов предлагаемой волноводно-питаемой ЛПДА (другими словами: её настройка в целом) находятся как результат корректного расчёта ключевых геометрических размеров с использованием вышеупомянутой литературы, создавая тем самым начальный/стартовый пространственный облик ЛПДА для оптимизации этих начальных размеров оптимизатором системы “CST Studio Suite”. При этом обеспечивается учёт диссипативных потерь в тонких излучающих проводниках всех N пар диполей, а также в скин-слоях внутреннего и наружного проводников отрезка коаксиальной линии 10, включая внутренние поверхности стенок волновода 1 и наружную поверхность его широкой стенки 9 (фиг. 1), ориентированной в сторону излучающей структуры и отстоящей от оси первой пары тонких цилиндрических излучающих проводников 3, 4 на расстоянии . Кроме того, это позволяет ввести в анализ и процедуру настройки расчёт влияния высших типов волн в волноводе 1, которые возникают (хотя и быстро потом затухают по мере удаления от места их возникновения) в областях вблизи опущенного внутрь волновода 1 нижнего конца 12 внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10, а также вокруг выполненного на оси симметрии широкой стенки 9 отверстия (фиг. 2), диаметр которого равен внутреннему диаметру наружного проводника отрезка 10.

В результате нахождения оптимальной совокупности геометрических размеров ключевых фрагментов предлагаемая ЛПДА при использовании прямоугольного волновода по ОСТ 4.206.000 с размерами = 120 мм, = 57 мм (фиг. 5) характеризуется для центральной частоты = 1,88 ГГц следующими ключевыми размерами, упомянутыми выше в тексте Описания (в миллиметрах) при вспомогательных размерах = 1,5 мм, = 0,3 мм (фиг. 4):

Совокупность этих размеров обеспечивает хорошее согласование предлагаемой ЛПДА с генератором, имеющим фланцевый выход, что следует из частотной характеристики модуля входного коэффициента отражения оптимизированной/настроенной антенны (фиг. 7, сплошная кривая в позиции 27 – теоретическая характеристика согласно моделированию в системе “CST Studio Suite”). Это подтверждает обоснованность описанного механизма фазирования -тых диполей () посредством чередования как сторон отрезка коаксиальной линии 10, так и передних и задних кромок продольных щелей 15, 16 вдоль него (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 6). Кроме того, это свидетельствует о корректности использования представления о локальной активной области из трёх диполей, которая как бы «перемещается/движется» вверх или вниз по полотну излучающих проводников ЛПДА (фиг. 4) по мере увеличения или уменьшения рабочей частоты соответственно ().

Для экспериментального подтверждения результатов решения поставленной задачи был изготовлен опытный образец предлагаемой антенны с вышеприведёнными геометрическими размерами. Согласование ЛПДА с СВЧ-генератором проверялось в безэховой камере с использованием векторного анализатора электрических цепей Rohde & Schwarz RS-ZVL-13 и отражено на фиг. 7 маркерами в позициях 28. Диаграмма направленности (в терминах коэффициента усиления) измерялась для дальней зоны Фраунгофера по классической методике, описанной в работе: «Устройства СВЧ и антенны». Учебник / Под ред. Д.И. Воскресенского. Изд. 4-е, испр. и доп. – М.: Радиотехника, 2016. – 560 с., раздел 20.6, стр. 541 – 549. При этом применялся линейно поляризованный рупорный облучатель и генератор сигналов E8257D PSG. Точность установки углов поворотных устройств по азимуту и углу места составляла . Результаты измерений на частоте =1,9 ГГц для плоскости YOZ электрического вектора представлены на фигуре 8 маркерами в позициях 29. Там же для сравнения изображена диаграмма направленности, рассчитанная в системе “CST Studio Suite” (сплошная кривая в позиции 30).

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи, то есть о создании волноводно-питаемой логопериодической дипольной антенны, обеспечивающей повышение производственной и эксплуатационной технологичности антенных систем, питаемых непосредственно от выходных фланцев генераторов СВЧ.

Вместе с тем, излучающая структура (фиг. 4) может располагаться не только над широкой стенкой 9 волновода 1, когда используется штыревой переход за счёт погружения нижнего конца 12 внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии 10 во внутриволноводное пространство. Возможно также размещение излучающей структуры ЛПДА, содержащей N симметричных диполей монотонно убывающей длины, как над узкой стенкой прямоугольного волновода (фиг. 9), так и со стороны его короткозамкнутого торца (фиг. 10). При торцевом расположении излучающей структуры наряду с прямоугольным возможно использование и круглого волновода (фиг. 11). В последних трёх вариантах компоновки вместо штыревого перехода должен использоваться петлевой переход из волновода к внутреннему проводнику отрезка коаксиальной линии 10, входящего в предлагаемую излучающую структуру ЛПДА (фиг. 4). Так, например, на фигуре 12 изображён петлевой переход из круглого волновода к отрезку коаксиальной линии 10. Методики расчёта геометрических размеров как штыревого, так и петлевого переходов известны и изложены, например, в следующих работах:

а) штыревой переход – «Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов». М.: Советское радио, 1972, 320 стр., раздел 6.4, стр. 156-160;

б) петлевые переходы:

б1) M.D. Deshpande and B.N. Das “Analysis of an end launcher for a circular cylindrical waveguide”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 26, no. 9, pp. 672-675, Sept. 1978;

б2) Y. Zhou, K. Song and Y. Fan “A novel waveguide-to-coaxial transition with embedded magnetic closed loop”, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 32, no.8, pp. 939-942, Aug. 2022.

При этом на фигурах 9-11 для наглядности изображены как облики дополнительно исследованных ЛПДА, так и их пространственные диаграммы направленности, рассчитанные в системе “CST Studio Suite” и совмещённые с обликами.

Перечисленные обстоятельства в совокупности позволяют рекомендовать предлагаемую логопериодическую дипольную антенну с волноводным питанием для использования в стационарных и мобильных радиолокационных и телекоммуникационных системах различного назначения с линейной поляризацией излучаемых радиоволн, включая системы ориентации беспилотных летательных аппаратов и головные части ракет с самонаведением на цель.

Предлагаемая антенна может быть использована как самостоятельная антенна телекоммуникационных систем СВЧ, так и в качестве элемента волноводных антенных решёток устройств радиолокации. В логопериодической дипольной антенне содержатся питающий прямоугольный волновод 1 с фланцевым входом 2, первая пара тонких коллинеарных цилиндрических проводников 3 и 4 с двумя смежными 5, 6 и двумя удалёнными 7, 8 концами. Проводники 3 и 4 расположены параллельно широкой стенке 9 волновода 1. Антенна содержит также отрезок коаксиальной линии 10, перпендикулярный широкой стенке 9. Нижний конец 11 наружного проводника отрезка 10 гальванически соединён со стенкой 9, а нижний конец 12 внутреннего проводника отрезка 10 погружён вовнутрь волновода 1 через цилиндрическое отверстие, выполненное на оси симметрии стенки 9. Наружный проводник отрезка 10 расщеплён на две идентичные половины 13 и 14 в форме жёлоба посредством двух идентичных щелей 15 и 16. К передним и задним кромкам этих щелей гальванически соединены смежные концы как первой пары коллинеарных проводников 3 и 4, так и последующих пар, число N которых произвольно, а длины проводников уменьшаются. При этом разомкнутые удалённые концы проводников всех пар расположены на пересекающихся под углом 70 градусов прямых линиях, проходящих через удалённые концы проводников первой и последней пары. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение производственной и эксплуатационной технологичности антенных систем, питаемых непосредственно от волноводных фланцев генераторов. 12 ил.

Логопериодическая дипольная антенна, содержащая питающий прямоугольный волновод, один из входов которого является входом антенны, первую пару идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников с двумя смежными и двумя удалёнными концами, расположенных над его широкой стенкой так, что их смежные концы находятся в непосредственной близости, отрезок коаксиальной линии, расположенный перпендикулярно упомянутой широкой стенке волновода, причем нижний конец наружного проводника отрезка гальванически соединен со стенкой волновода, а нижний конец его внутреннего проводника погружен во внутриволноводное пространство сквозь выполненное на оси широкой стенки волновода отверстие, диаметр которого равен внутреннему диаметру наружного проводника отрезка, при этом наружный проводник отрезка коаксиальной линии расщеплён на две идентичные половины в форме жёлоба посредством двух идентичных узких щелей, выполненных по всей длине отрезка напротив друг друга, причем верхний конец первой из половин в форме жёлоба гальванически соединён с верхним концом внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, при этом первый смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен с первой половиной в форме жёлоба, второй смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников гальванически соединен со второй половиной в форме жёлоба, а оба удалённых конца первой пары тонких излучающих проводников разомкнуты, отличающаяся тем, что в неё дополнительно введены тонкая проводящая пластина, длина и ширина которой равны соответствующим размерам поперечного сечения волновода, а также произвольное число пар тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников с двумя смежными и двумя удалёнными концами, причём длина проводников этих пар прогрессивно уменьшается по сравнению с длиной проводников первой пары, при этом расстояния между осями тонких излучающих коллинеарных проводников соседних пар одинаковы, а их смежные концы гальванически соединены с идентичными половинами в форме жёлоба, причем первый смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников соединен с нижним концом первой половиной в форме жёлоба, второй смежный конец первой пары идентичных тонких коллинеарных излучающих цилиндрических проводников соединен с нижним концом второй половины в форме жёлоба, при этом удаленные концы проводников всех пар расположены на пересекающихся под углом 70 градусов прямых линиях, проходящих через удаленные концы проводников первой и последней пары, причем первый и второй смежные концы всех нечётных по счёту пар проводников, начиная с первой пары, гальванически соединены соответственно с первой и второй половинами в форме жёлоба, первый и второй смежные концы всех чётных по счёту пар проводников гальванически соединены соответственно со второй и первой половинами в форме жёлоба, а области соединения смежных концов всех пар тонких излучающих проводников с половинами в форме жёлоба локализованы на кромках узких щелей, при этом тонкая проводящая пластина закорачивает волновод со стороны, противоположной входу антенны, расстояние от центра отверстия, выполненного на оси широкой стенки волновода, до упомянутой пластины равно длине излучающих проводников первой пары, а расстояние от центра упомянутого отверстия до входа антенны произвольно.