Синфазная антенная решетка Советский патент 1992 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной или передающей антенны для радиосвязи, радиовещания или телевидения.

Известны четырехэлементные синфазные антенные решетки с излучателями, расположенными по углам квадрата, в которых в качестве излучателей используются дирек- торные антенны, печатные вибраторы с плечами трехугольной формы или спиральные антенны.

Основной недостаток этих антенн состоит в их относительной узкополосности (10-30%).

Известна также синфазная антенная решетка из четырех логопериодических вибраторных антенн, в которой четыре одинаковых логопериодических вибраторных антенны (ЛПВА) расположены по углам квадрата и плоскости вибраторЪв противоположных ЛПВА образуют между собой острый угол.

Величину указанного угла выбирают так, что электрическое расстояние между одноименными вибраторами противолежащих ЛПВА постоянное в пределах рабочего диапазона частот. Усиление такой синфазной антенной решетки теоретически мало изменяется в пределах рабочего диапазона частот, однако реально потери в соединительных коаксиальных кабелях и четырехканальном сумматоре растут пропорционально частоте так, что в целом усиление антенной решетки с ростом частоты

VI

00

ю

00 00

VJ

падает. В ряде применений указанный недостаток является существенным,

Целью изобретения является максимизация коэффициента усиления синфазной антенной решетки из четырехлогопериоди- ческих вибраторных антенн (ЛПВА) в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 1,6 и при длине каждой ЛПВА не более 0,45 Амакс, где Амакс максимальная длина волны.

Синфазная антенная решетка содержит четыре идентичные ЛПВА, расположенные в параллельных плоскостях в углах квадрата перпендикулярно его плоскости, причем каждая ЛПВА содержит решетку вибраторов различной длины, возбуждаемых пере- менно-фазно двухпроводной линией передачи, каждая ЛПВА питается коаксиальным кабелем, расположенным внутри полости первого проводника двухпроводной линии передачи, при этом внешний и центральный проводники соединены соответственно с первым и вторым проводниками двухпроводной линии передачи у вершины ЛПВА, а входы коаксиальных кабелей, питающих каждую ЛПВА, соединены с низкоомным выходом трансформатора сопротивлений 1:4, вход которого является входом синфазной антенной решетки.

Каждая ЛПВА расположена параллельно одной из диагоналей квадрата, длина стороны которого выбрана в пределах (0,64-0,68)Амакс вибраторы ЛПВА образуют геометрическую структуру с параметрами г 0,84-0,86, а 0,084-0,097, а двухпроводная линия передачи, возбуждающая вибраторы ЛПВА, закорочена на расстоянии 0,04 Амакс от вибратора максимальной длины, составляющей 0,53 Амакс, где Амакс - максимальная длина волны рабочего диапазона; т- отношение длин соседних вибраторов; а- отношение расстояния между соседними вибраторами ЛПВА к удвоенной длине большего из них.

На фиг.1 показана электрическая структурная схема синфазной антенной решетки; на фиг,2 - расположение ЛПВА относительно диагоналей квадрата; на фиг.З - типовая конструкция одного из четырех излучателей в виде ЛПВА.

Синфазная антенная решетка содержит четыре идентичные ЛПВА 1-4, расположенные в параллельных плоскостях в углах 5-8 квадрата со стороной 9 перпендикулярно его плоскости 10. Каждая ЛПВА содержит решетку вибраторов 11 различной длины, возбуждаемых переменно-фазно двухпроводной линией передачи 12. Каждая ЛПВА 1 (2-4) питается коаксиальным кабелем 13

(14-16), расположенным внутри полости первого проводника 17 двухпроводной линии передачи 12. При этом внешний и центральный 18 проводники коаксиального кабеля 13 соединены соответственно с первым 17 и вторым 19 проводниками двухпроводной линии передачи 12 у вершин 20 и 21 ЛПВА. Входы коаксиальных кабелей 13-16, питающих каждую ЛПВА 1-4, соединены с

низкоомным выходом трансформатора 22 сопротивления 1:4, вход 23 которого является входом синфазной антенной решетки (САР).

Каждая ЛПВА 1-4 расположена параллельно одной из диагоналей 24 квадрата, длина стороны 9 которого выбрана в пределах (0,64-0,68) Амакс , вибраторы 11 ЛПВА 1-4 образуют геометрическую структуру с параметрами г 0,84-0,86, сг 0,084-0,097,

а двухпроводная линия передачи 12, возбуждающая вибраторы 11 ЛПВА, закорочена на расстоянии 0,04 Амакс от вибратора 25 максимальной длины, составляющей 0,53 Амакс, где Амакс - максимальная длина

волны рабочего диапазона; г- отношение

длин соседних вибраторов; о - отношение

расстояний между соседними вибраторами

ЛПВА к удвоенной длине большего из них.

Синфазная антенная решетка работает

следующим образом (рассматривается режим передачи).

Вход 23 антенны подсоединяют к выходу генератора, соответствующего ее рабочему диапазону частот. Высокочастотные

электромагнитные колебания с выхода генератора по коаксиальному кабелю поступают на вход 23 антенны. Трансформатор 22 волновых сопротивлений уменьшает волновое сопротивление в четыре раза - с 50(75) до

12,5 (18.75) Ом и к его выходу параллельно подключены входы четырех коаксиальных кабелей 13-16 питания с волновым сопротивлением 50 (75) Ом.

Поскольку электрические длины всех четырех коаксиальных кабелей 13-16 равны, ЛПВА 1-4 возбуждаются синфазно, формируя диаграмму направленности, определяемую известной формулой в виде произведения диаграммы направленности

одиночной ЛПВА на множитель четырехэле- ментной синфазной антенной решетки. Коэффициент усиления ЛПВА длиной не более 0,45 Амакс с коэффициентом частотного перекрытия 1,6-1,7 составляет 5 дБ.

Четырехэлементная САР обычно позволяет увеличить коэффициент усиления в четыре раза (на 6 дБ) без учета потерь в соединительных кабелях 13-16 и трансформаторе 22 сопротивлений. Указанные потери увеличиваются с ростом частоты и поэтому желательно, чтобы коэффициент направленного действия (КНД) возрастал с ростом частоты. Методами численного и натурного эксперимента получены оптимальные геометрические соотношения, позволяющие получить дополнительный выигрыш до 2 дБ по сравнению с суммой КНД излучателей.

При параллельном расположении ЛПВА электрический размер САР увеличивается с ростом частоты. При этом происходят два противоречивых явления - сужение луча диаграммы направленности и увеличение уровня бокового излучателя. В достаточно широком диапазоне частот (коэффициент перекрытия не менее 1,6) увеличение КНД САР (за счет сужения луча ДН) происходит быстрее, чем его снижение за счет роста уровня боковых лепестков. При заданных электрических размерах САР наибольший прирост КНД происходит на верхней границе диапазона, что и требуется для максимизации коэффициента в диапазоне частот.

Пример. Экспериментальный образец САР изготовлен на основе четырех ЛПВА, каждая из которых выполнена из двух алюминиевых полуструктур. Каждый проводник двухпроводной линии передачи имеет желоб прямоугольной формы, в одном из желобов уложен коаксиальный кабель питания ЛПВА типа РК 75-2-11. Со стороны вибратора максимальной длины макс 340 мм на расстояйии 40 мм размещен закорачивающий двухпроводную линию фланец, содержащий отверстие для прохода через него коаксиального кабеля. Трансформатор сопротивлений выполнен на основе Чебышевского перехода от несимметричной линии с волновым сопротивлением 75 Ом к несимметричной линии с волновым сопротивлением 18,75 Ом, В качестве материала для подложки трансформатора использован лист двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, длиной 190 мм.

Оплетки четырех коаксиальных кабелей подпаяны к подложке трансформатора сопротивлений, а центральные проводники - к проводнику несимметричной полосковой линии со стороны низкоомного выхода трансформатора сопротивлений. Излучатели расположены в углах квадрата со стороной 420 мм, причем все вибраторы ЛПВА параллельны одной диагонали квадрата. Антенна испытана в диапазоне частот 470- 790 МГц.

Измеренный средний коэффициент усиления в диапазоне частот составляет 10 дБ (расчетный КНД 13 дБ). Наивысший измеренный уровень боковых лепестков ДН (в верхней части рабочего диапазона) не превышает минус 16 дБ (типичное значение минус 20 дБ).

Экспериментально проверялись также

варианты синфазной антенной решетки с более короткими ЛПВА и несколько отличающимися расстояниями между соседними ЛПВА, что позволяет сделать вывод о сохранении положительного эффекта в определенном диапазоне размеров.

Таким образом, экспериментально подтверждена максимизация коэффициента усиления в диапазоне частот с перекрытием

не менее 1,6 при длине каждой ЛПВА не более 0,45 Амакс. Положительные результаты испытаний позволяют сделать выводе целесообразности серийного выпуска предлагаемой антенны.

Формула изобретения

Синфазная антенная решетка, содержащая четыре идентичные логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА), расположенные в параллельных плоскостях в углах

квадрата перпендикулярно его плоскости, причем каждая ЛПВА содержит решетку вибраторов различной длины, возбуждаемых переменно-фазно двухпроводной линией передачи, каждая ЛПВА питается

коаксиальным кабелем, расположенным внутри полости первого проводника двухпроводной линии передачи, при этом внешний и центральный проводники соединены соответственно с первым и вторым проводниками двухпроводной линии передачи у вершины ЛПВА, а входы коаксиальных кабелей, питающих каждую ЛПВА, соединены с низкоомным выходом трансформатора сопротивлений 1:4, вход которого является

входом синфазной антенной решетки, отличающаяся тем, что, с целью максимизации коэффициента усиления в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 1,6 и при длине каждой ЛПВА не более

0,45 Амакс, каждая ЛПВА расположена параллельно одной из диагоналей квадрата, длина стороны которого выбрана в пределах (0,64-0,68) Амакс, вибраторы ЛПВА образуют геометрическую структуру с параметрами т 0,84-0,86, а 0,084-0,097, а двухпроводная линия передачи, возбуждающая вибраторы ЛПВА, закорочена на расстоянии 0,04 Амакс от вибратора максимальной длины, составляющей 0,53 Амакс,

где Амакс - максимальная длина волны рабочего диапазона; т отношение длин соседних вибраторов; а- отношение расстояний между соседними вибраторами ЛПВА к удвоенной длине большего из них.

Фиг. 4

М

VL

Использование: приемная или передающая антенна для радиосвязи, радиовещания или телевидения. Сущность изобретения: синфазная антенная решетка содержит четыре идентичные логопери- одические вибраторные антенны (ЛПВА), расположенные в параллельных плоскостях по углам квадрата перпендикулярно его плоскости. Длина стороны квадрата находится в пределах 0,64-0,68 максимальной рабочей длины волны. Вибраторы ЛПВА образуют геометрическую структуру с отношением длин соседних вибраторов 0,84-0,86 и отношением расстояния между ними 0,084-0,097 к удвоенной длине большего вибратора. Вибраторы возбуждаются двухпроводной линией, закороченной на расстоянии 0,04 максимальной рабочей длины волны от вибратора наибольшей длины, составляющей 0,53 максимальной длины волны. Внутри первых проводников двухпроводных линий располагаются питающие коаксиальные кабели, входы которых соединены с низкоомным выходом трансформатора сопротивлений 1:4, вход которого является входом синфазной антенной решетки. 3 ил. ел С

М

21

Фиг. Ј