Активная логопериодическая антенна Советский патент 1992 года по МПК H01Q23/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной антенны в широкополосных радиосистемах для диапазонов волн от декамет- рового до сантиметрового включительно.

Известен несимметричный вибратор в виде металлического стержня, расположенного ортогонально металлическому экрану. К вибратору подключен коаксиальный кабель, согласованный на другом конце с приемником, Недостатком несимметричного вибратора является узкая полоса частот ввиду сильной частотной зависимости его входного сопротивления.

Известен активный вибратор, состоящий из короткого несимметричного вибратора, подключенного к входу широкополосного усилителя. Усилитель нагружен на кабель, согласованный с выходом усилителя на одном конце приемника и с входом приемника на другом конце. Активный вибратор обеспечивает постоянство величины сигнала на входе приемника в широкой полосе частот при падении на вибратор электромагнитной волны фиксированной амплитуды. Широкополосные свойства активного вибратора достигаются за счет ши- рокополосности усилителя: постоянства его коэффициента усиления и высокого входного сопротивления в широкой полосе частот. Кроме того, активный вибратор имеет малую высоту и малый антенный эффект фидера. Недостатком активного вибратора является слабая направленность: диаграмма направленности (ДН) такая же, как у электрически короткого вибратора.

Известна логопериодическая антенна (ЛПА), состоящая из несимметричных вибраторов над металлическим экраном, образующих линейную решетку, причем размеры вибраторов и расстояния между ними подчиняются закону геометрической прогрессии, а вибраторы подключены к несимметричной линии передачи, один конец

XI

OJ

о XI о XI

которой является входом антенны, а другой нагружен на реактивную или согласованную нагрузку. Рабочая полоса частот Л ПА теоретически неограничена и определяется лишь размерами крайних вибраторов, а в пределах рабочей полосы частот антенна имеет частотно-независимые характеристики.ЛПА формирует ДН с максимумом, ориентированным в сторону входа антенны. Недостатком известной ЛПА является слабая направленность: ширина луча в горизонтальной плоскости 120-140°. Причиной слабой направленности является то, что на любой частоте излучает только часть антен- ны-активная область, причем амплитудно- фазовое распределение (АФР) на вибраторах в активной области не является оптимальным. Кроме того, известная ЛПА имеет большую высоту вибраторов (длина наибольшего вибратора равна 0,25Атах), что усложняет ее конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности к данной является активная ЛПА, состоящая из одинаковых несимметричных вибраторов, образующих линейную решетку, усилителей, к входам которых подключены вибраторы, и собирательной линии в виде несимметричной прямолинейной линии передачи воздушного типа, один конец которой является входом антенны, а другой нагружен на согласованную нагрузку, причем расстояние между соседними вибраторами возрастает вдоль оси антенны при удалении от ее входа по закону геометрической прогрессии, а усилители являются резонансными и различаются только резонансными частотами, которые убывают по закону геометрической прогрессии при удалении от входа антенны, причем входы усилителей подключены к собирательной линии в точках, расстояния между которыми равны расстояниям между соответствующими вибраторами, а выходное сопротивление каждого усилителя выбрано достаточно большим так, чтобы усилители слабо шунтировали собирательную линию. Широкополосные свойства известной активной ЛПА обеспечиваются наличием в собирательной линии, нагруженной на высокоомные выходы усилителей, режима бегущей волны, а также тем, что резонансные частоты усилителей и расстояния между вибраторами образуют геометрическую прогрессию, вследствие чего активная область перемещается вдоль антенны пропорционально частоте падающего поля с сохранением электродинамического подобия. Коэффициент перекрытия по частоте fmax/fmin определяется отношением резонансных частот

крайних усилителей, т.е. теоретически неограничен.

ДН известной активной ЛПА имеет максимум, направленный в сторону,противоположную входу антенны, причем ширина ДН существенно меньше чем у обычной ЛПА той же длины. Кроме того, вибраторы в известной активной ЛПА имеют небольшую высоту, как и в известном вибраторе. Повы0 шение направленности активной ЛПА достигнуто благодаря наличию в антенне активной области большого размера, при близком к оптимальному АФР.

Однако требование к большой величине

5 выходного сопротивления усилителей ограничивает применение известной активной ЛПА в основном диапазоном декаметровых волн. Действительно, для более высоких частот сопротивление усилителей становится

0 малым за счет паразитной выходной емкости, что нарушает режим бегущей волны в линии передачи. Например, выходная емкость усилителя равна 4 пФ, что на частоте 300 МГц дает емкостное сопротивление 130 Ом.

5 Даже при использовании собирательной линии с низким волновым сопротивлением (например, 100 Ом) наличие указанных паразитных емкостей, включенных параллельно в собирательную линию, приведет к

0 нарушению режима бегущей волны и недопустимому искажению ДН. Таким образом, недостатком активной ЛПА является ограничение частотного диапазона со стороны высоких частот.

5 Цель изобретения - расширение частотного диапазона в сторону высоких частот. Ожидаемый положительный эффект заключается в расширении области применения активных логопериодических антенн. На0 пример, предлагаемую антенну можно использовать в качестве приемной антенны для диапазонов волн от декаметрового до сантиметрового.

Указанная цель достигается тем, что в

5 активную логопериодическую антенну, содержащую п идентичных несимметричных вибраторов, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей, и собирательную линию, введены п

0 фильтров нижних частот, включенных на выход согласующих усилителей, и п направленных ответвителей, выходы первичных линий каждого из которых нагружены на выход соответствующего фильтра нижних

5 частот и согласованную нагрузку, а выходы вторичной линии включены последовательно в собирательную линию, причем длины направленных ответвителей пропорциональны расстояниям между соответствующими несимметричными вибраторами, а их

коэффициенты связи выбраны в интервале 0,2-0,4, при этом верхняя граничная частота каждого фильтра нижних частот равна частоте, на которой длина соответствующего направленного ответвителя равна четверти длины волны.

В отличие от прототипа, где выход усилителя подключен к собирательной линии непосредственно и не согласован с ней, в предлагаемой антенне выход усилителя согласован с подключенным к нему фильтром и направленным ответвителем, что существенно для достижения цели изобретения.

Направленные ответвители являются в предлагаемом устройстве согласованными элементами связи усилителей с собирательной линией и одновременно выполняют роль полосно-пропускающего фильтра за счет известных частотно-избирательных свойств направленного ответвителя на связанных линиях. Фильтры нижних частот служат для подавления дополнительных максимумов в частотной характеристике направленных ответвителей, для чего между граничной частотой фильтра и длиной соответствующего направленного ответвителя выполнено указанное соотношение.

Выбор коэффициента связи в указанных пределах позволяет получить оптимальные характеристики антенны.

На фиг.1 представлена схема активной Л ПА; на фиг.2 - зависимость действующей длины предлагаемой антенны, нормированной на действующую длину активного вибратора, от коэффициента связи К ответвителей; на фиг.З - зависимость ширины луча ДН в Н-плоскости от коэффициента связи К ответвителей; на фиг.4 - зависимость уровня бокового излучения (УБИ) предлагаемой антенны от коэффициента связи К; на фиг.5 - схема широкополосного усилителя с фильтром; на фиг.6 - амплитудные распределения в собирательной линии; на фиг.7 - нормированные ДН предлагаемой антенны на трех частотах.

На фиг.1 показаны несимметричные вибраторы 1, широкополосные усилители 2, собирательная линия 3, вход 4 антенны, согласованная нагрузка 5, фильтр 6 нижних частот, направленные ответвители 7, согласованные нагрузки 8.

На фиг.2 показана зависимость 9 нормированной действующей длины антенны от коэффициента связи НО для значения периода структуры (коэффициента подобия антенны) т - 0,9, аналогичные зависимости 10 и 11 для значения коэффициента подобия ,88и т 0,86 соответственно.

На фиг.З показана зависимость 12 ширины луча диаграммы направленности в плоскости вектора Н от коэффициента связи направленного ответвителя К для значения

коэффициента подобия антенны т 0,86; аналогичные зависимости 13, 14 для значения коэффициента подобия т 0,88 и т 0,9 соответственно.

На фиг.4 показана зависимость 15 уровня бокового излучения антенны от коэффициента связи направленного ответвителя К для значения коэффициента подобия антенны т 0,86; аналогичные зависимости 16 и 17 для значения коэффициента подобия

т 0,88 и т 0,9 соответственно.

На фиг.5 показана схема 2 широкополосного усилителя варианта предлагаемой активной ЛПА, предназначенного для работы в полосе частот (48-222,6) МГц; схема 6

фильтра нижних частот.

На фиг.6 показано амплитудное распределение 18 в собирательной линии для относительной частоты f/fo 1,667, где f0 - частота, на которой относительная длина

наибольшего из направленных ответвителей IN/A max 0,25; аналогичные распределения 19, 20 для значений относительной частоты f/fo 3,828 и f/f0 7,732 соответственно,

На фиг.7 показаны нормированные диаграммы 21, 22 направленности предлагаемой активной антенны для относительной частоты f/fo 1,667 в плоскостях векторов Е и Н соответственно; нормированные ДН 23

и 24 для частоты f/fo 3,828 в плоскостях векторов Е и Н соответственно; нормированные ДН 25,26 для частоты f/f0 7,732 в плоскостях векторов Е и Н соответственно. Предлагаемая активная ЛПА (фиг.1) содержит идентичные несимметричные вибраторы 1, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей 2, собирательную линию 3 в виде прямолинейной воздушной линии передачи

несимметричного типа, один конец которой является входом 4 предлагаемой антенны, а другой конец нагружен на согласованную нагрузку 5, причем расстояние между соседними вибраторами 1 возрастает по закону геометрической прогрессии при удалении от входа 4 антенны, Выход каждого усилителя 2 подключен к фильтру нижних частот 6, выход каждого фильтра 6 связан с собирательной линией 3 через направленный ответвитель 7 на связанных линиях так, что выходы первичной линии направленного ответвителя 7 подключены к выходу фил ь- тра 6 и к согласованной нагрузке 8, а вторичная линия каждого ответвителя 7

включена в собирательную линию 3 антенны.

Предлагаемая активная Л ПА работает следующим образом.

Падающая на антенну электромагнитная волна возбуждает на входе каждого вибратора 1 напряжение, которое усиливается соответствующим усилителем 2 и через фильтр нижних частот б и направленный ответвитель 7 поступает в собирательную линию 3. В результате в собирательной линии 3 возникает волна, распространяющаяся в сторону входа антенны 4, состоящая из суммы волн, возбужденных каждым ответ- вителем 7. Известно, что согласование и развязка для НО на связанных линиях сохраняются независимо от частоты, что гарантирует сохранение в собирательной линии 3 режима бегущей волны и, в свою очередь, обеспечивает формирование узкой ДН с максимумом, ориентированным в сторону согласованной нагрузки 5. Наибольшая величина сигнала, ответвляемого в собирательную линию 3, имеет место для НО 7, длина которого равна А /4, где А - длина волны падающего на антенну электромагнитного поля. Указанный НО совместно с группой соседних с ним ответвителей образует активную область антенны. При уменьшении длины волны падающего поля активная область смещается в сторону входа 4, а при увеличении длины волны - в противоположную сторону. Поскольку расстояния между соседними вибраторами 1 и длины ответвителей 7 подчиняются закону геометрической прогрессии, длина активной области, выраженная в длинах волн, остается неизменной при изменении длины волны падающего поля, откуда следует частотная независимость характеристик предлагаемой антенны. Коэффициент перекрытия по частоте определяется отношением длин крайних направленных ответвителей.

Таким образом, в отличие от прототипа, где активная область формируется за счет включенных в усилители 1,С-контуров, в предлагаемой антенне активная область формируется за счет частотно-избирательных свойств НО на связанных линиях. Следует заметить, что частотная зависимость переходного ослабления НО является переодической функцией частоты, так что макси- мумы коэффициента передачи между первичной и вторичной линиями ответвите- ля 7 имеют место, когда длина ответвителя равна (2т-1)А /4, где т 1,2.3.... Следовательно, для частот, превышающих первую актаву диапазона, помимо основной активной области, содержащей НО с длиной, близкой к А /4, возможна паразитная активная область, содержащая ответвители с длиной, близкой к 3/4 А а также паразитные активные области более высоких порядков. Указанные паразитные активные области искажают ДН антенны, поэтому для сохранения работоспособности антенны необходимо их устранение. Для их устранения верхняя граничная частота каждого фильтра выбрана равной частоте, на которой длина подключенного к данному фильтру 6 НО 7 равна А /4. За счет этого достигается уменьшение сигналов, поступающих в собирательную линию 3 от НО 7, у которых длина превышает А /4. На фиг. 2-4 приведены усредненные в полосе частот характеристики предлагаемой антенны в зависимости от коэффициента связи К

направленных ответвителей 7, при различных значениях коэффициента подобия антенны т.Как видно, независимо от параметра т оптимальное значение К находится в пределах 0,2-0,4, так как при

меньших значениях К действующая длина антенны и, следовательно, сигнал на ее входе 4 сильно уменьшается (фиг.2), а при больших значениях К возрастает ширина главного луча (фиг.З) и уровень бокового излучения (фиг.4).

Разработанный вариант предлагаемой активной ЛПА предназначен для работы в полосе частот(48-222,6) МГц, что соответствует диапазону длин волн 6,25-1,35 м, и

обладает следующими геометрическими параметрами. Число вибраторов п 22. Коэффициент связи ответвителей К 0,3. Каждый вибратор выполнен в виде штыря диаметром 2 мм и длиной 200 мм и расположен

ортогонально металлическому экрану. Направленные ответвители 7 выполнены на основе воздушной 50-омной коаксиальной линии, расположенной на экране, причем их вторичные линии включены каскадно и образуют собирательную линию 3. Расстояние между соседними вибраторами 1 равно длине соответствующего НО 7. Длина наибольшего ответвителя 7 равна IN 2605 мм. Длина антенны от входа 4 до согласованной

нагрузки 5 равна 3,236 A max, т.е. 20226 мм. Усилители 2 данного варианта активной ЛПА изготовлены по известной схеме, показанной на фиг.5. Измерения показали, что действующая длина активного вибратора,

образованного усилителем 2 и вибратором 1, составляет в указанной полосе частот пав 0,6- 3,5 м, чувствительность не хуже 50 мкВ/м, динамический диапазон 45 дб, коэффициент шума усилителя не более 5 дБ.

Таким образом, отношение сигнал/шум у предлагаемой активной Л ПА выше чем у входящего в ее состав активного вибратора, так как напряжение сигнала на входе 4 определяется когерентным сложением от активных вибраторов в собирательной линии 3, а сложение шумов, создаваемых усилителями 2, происходит некогерентно. Таким образом, чувствительность разработанного варианта активной ЛПА не хуже 50 мкВ/М.

На фиг.6 показано амплитудное распределение напряжения вдоль антенны, рассчитанное на выходах ответвителей 7 на двух крайних и средней частоте диапазона. Как видно, за счет фильтров 6 паразитные активные области имеют меньшую амплитуду чем основная активная область.

На фиг.7 показаны нормированные ДН предлагаемой активной ЛПА в Е и Н-плоско- стях на тех же частотах. Главный максимум ориентирован вдоль оси антенны в сторону согласованной нагрузки 5. Ширина луча в Н-плоскости изменяется в пределах от 38 до 451 в рабочей полосе частот, а относительно действующая длина - от 1,5 до 1,7.

Формула изобретения

Активная логопериодическая антенна, содержащая N идентичных несимметричных вибраторов, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей, собирательную линию, выполненную в виде прямолинейной воздушной несимметричной линии передачи, нагруженной на согласованную нагрузку, причем расстояние между соседними несимметричными вибраторами возрастает вдоль оси по закону геометрической прогрессии, отличающаяся тем, что, с целью расширения

частотного диапазона в область высоких частот, введены N фильтров нижних частот, вклю- ченных на выходе широкополосных согласующих усилителей, и N направленных ответвителей, выполненных на отрезках однеродных длинных линий, выходы первичных линий каждого из которых нагружены на выход соответствующего фильтра нижних частот и согласованную нагрузку, а выходы вторичной линии включены

последовательно в собирательную линию, причем длины направленных ответвителей пропорциональны расстояниям между соответствующими несимметричными вибраторами, а их коэффициенты связи выбраны в

интервале 0,2-0,4, при этом верхняя граничная частота каждого фильтра нижних частот равна частоте, на которой длина соответствующего направленного ответвителя равна четверти длины волны.

.1

LO

Со

Использование: антенная техника для широкополосных радиосистем, Сущность изобретения: в активной логопериодиче- ской антенне, содержащей несимметричные вибраторы, подключенные к усилителям, и несимметричную собирательную линию, выход каждого усилителя присоединен к собирательной линии через фильтр нижних частот и направленный ответвитель. Длины направленных ответвителей пропорциональны расстояниям между соответствующими осесимметричными вибраторами, а их коэффициенты связи равны 0,2-0,4. Верхняя граничная частота каждого фильтра нижних частот равна частоте, на которой длина соответствующего направленного ответви- теля равна четверти длины волны. Достигнуто расширение рабочей полосы частот и повышение помехоустойчивости. 7 ил.

Ч

ОTJ--рtg/hd

О

02 ОЦ 0$ /С

Фиг2

г Ct

Л У 0,707

С,2 ОМ US f(

Фиг.3

и

ФМ.Ц

о го

0

г

ю

г)

-J со о -J о -J

Тг1

ч

СГ-;

Р

1

I- SS

с: -г

Ci