Логопериодическая вибраторная антенна

Логопериодическая вибраторная антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиомониторинга, радиопеленгации, радиолокации, а также в измерительной технике и, в частности, в качестве широкополосной антенны в высокоскоростных системах передачи информации.

Известна широкополосная печатная логопериодическая вибраторная антенна (ЛПВА) с трехпроводной распределительной линией, выполненная на диэлектрических подложках толщиной 1,575 мм с ε=2,33 [1]. Антенна имеет рабочую полосу частот с коэффициентом перекрытия частот ƒ_max/ƒ_min=6,0 по уровню согласования КСВн≤2,0 в фидере с волновым сопротивлением W_ф=50 Ом и коэффициентом усиления равным в среднем в рабочей полосе частот G_а=7 дБ. Для указанных областей применения ЛПВА требуются более широкополосные антенны с коэффициентом частотного перекрытия ƒ_max/ƒ_min≥10.

Известна широкополосная ЛПВА, способная работать по двум линейным ортогональным поляризациям в диапазоне частот от 1 до 16 ГГц (ƒ_max/ƒ_min=16), определяемом по уровню КСВн≤1,6 [2]. Недостатком этой антенны является структурная сложность используемого в ней устройства питания, включающего полосковые симметрирующее устройство и трансформатор сопротивлений, которые также увеличивают габариты и стоимость антенны.

Среди известных решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявленному устройству является логопериодическая вибраторная антенна по патенту Российской Федерации №2189676 С2, МПК H01Q 11/10, опубликованному 2002.09.20. Она содержит ряд симметричных вибраторов, выполненных в виде цилиндрических проводников и запитываемых от двухпроводной распределительной линии, выполненной из трубчатых проводников круглого или квадратного поперечного сечения, возбуждаемых коаксиальным фидером, при этом каждый последующий в ряду симметричный вибратор запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а отношение плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры.

Данное техническое решение широкополосной ЛПВА имеет ограничение по рабочей полосе частот, так как позволяет достичь высокого уровня согласования антенны с коаксиальным фидером питания (КСВн≤1,25-1,66) в полосе частот с коэффициентом перекрытия fmax/fmin=8,4. Такая полоса частот недостаточна для использования ЛПВА в сверхширокополосных радиосистемах.

В изобретении решается задача создания сверхширокополосной антенны со стабильными значениями коэффициента усиления антенны G_a=6,5-7 дБ для сверхширокополосной радиосвязи, а также для приема-передачи сверхкоротких импульсных сигналов, используемых в радиолокации и в высокоскоростных системах передачи информации. Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой сверхширокополосной логопериодической вибраторной антенны, заключается в снижении коэффициента стоячей волны в коаксиальном фидере антенны и стабилизации коэффициента усиления антенны в полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 20.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной логопериодической вибраторной антенне, содержащей ряд симметричных вибраторов, выполненных в виде цилиндрических проводников и запитываемых от двухпроводной распределительной линии, выполненной из трубчатых проводников круглого или квадратного поперечного сечения, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий в ряду симметричный вибратор запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры, согласно изобретению трубчатые проводники двухпроводной распределительной линии расположены симметрично относительно продольной оси антенны с образованием зазора между ними, причем величина зазора t в поперечных сечениях двухпроводной линии увеличивается вдоль продольной оси антенны по линейному закону от значения t₁=0,032λ_в в сечении наименьшего вибратора антенны до значения t₂=0,0066λ_н в сечении наибольшего вибратора антенны с трубчатыми проводниками круглого поперечного сечения, и соответственно от значения t₁=0,06λ_в до значения t₂=0,0095λ_н антенны с трубчатыми проводниками квадратного поперечного сечения, где λ_н и λ_в - длина волны соответственно на нижней и верхней граничной частоте рабочего диапазона частот антенны, а отношение длины n-го вибратора логопериодической структуры к его диаметру a_n выбрано удовлетворяющему условию , где n=1, 2 … N.

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая ЛПВА.

На фиг. 2 показан общий вид заявленной ЛПВА со стороны щелевой линии, образованной зазорами между трубчатыми проводниками квадратного поперечного сечения.

На фиг. 3 показана геометрия ЛПВА в плоскости сечения симметричного вибратора антенны и двухпроводной распределительной линии с трубчатыми проводниками квадратного поперечного сечения.

На фиг. 4 показана форма щели, ширина которой изменяется вдоль продольной оси антенны по линейному закону.

На фиг. 5 в приведены результаты измерения КСВН на входе образца предлагаемой ЛПВА в полосе частот с коэффициентом перекрытия ƒ_в/ƒ_н=20.

Результаты измерения коэффициента усиления G_a образца предлагаемой антенны в сверхширокой полосе частот приведены на фиг. 6 А, Б, В.

Логопериодическая вибраторная антенна содержит ряд симметричных вибраторов 1, подключенных к двухпроводной распределительной линии 2, и коаксиальный фидер 3, проходящий внутри одного из трубчатых проводников 4 двухпроводной распределительной линии 2. Внешний проводник 5 коаксиального фидера 3 имеет у плеча наименьшего симметричного вибратора антенны 7 гальванический контакт с трубчатым проводником 4 двухпроводной линии 2. Внутренний проводник 6 коаксиального фидера 3 у наименьшего вибратора 7 выведен к проводнику 8 двухпроводной линии 2, где он имеет с ним гальванический контакт, например, припаян к нему. Плечи симметричных вибраторов 1 расположены в плоскости поперечных сечений двухпроводной линии 2 неколлинеарно со смещением осей D (фиг. 3). Проводники 4 и 8 (фиг. 1, 3) двухпроводной линии 2 выполнены из труб круглого или квадратного поперечного сечения. Они расположены симметрично относительно продольной оси 9 антенны и образуют зазоры 10, величина t которых в поперечных сечениях двухпроводной линии 2 (фиг. 1, 2) линейно увеличивается от значения t₁=0,032Аλ_в в сечении наименьшего вибратора 7 антенны до значения t₂=0,0066λ_н в сечении наибольшего вибратора 11 антенны с двухпроводной линией, выполненной из трубчатых проводников круглого поперечного сечения, и соответственно от значения t₁=0,06λ_в до значения t₂=0,0095λ_н у антенны с двухпроводной линией, выполненной из трубчатых проводников квадратного поперечного сечения. В этих соотношениях λ_в и λ_н обозначают длину волны соответственно на верхней и нижней граничной частоте рабочего диапазона антенны. Проводники 8 и 4 двухпроводной линии 2 за наибольшим вибратором 11 замыкаются друг с другом с помощью короткозамыкателя 13. Размеры вибраторов антенны - длина n-го вибратора логопериодической структуры и его диаметр a_n выбраны удовлетворяющими условию , где n=1, 2 … N.

Двухпроводная линия, выполненная из трубчатых проводников круглого поперечного сечения с диаметром d и расстоянием между проводниками D при D/d>1, реализуется с помощью известной формулы

Для двухпроводной линии из трубчатых проводников квадратного поперечного сечения со стороной квадрата d и расстоянием между проводниками D при D/d>1 волновое сопротивление W_л можно определить с помощью графической зависимости W_л=f(D/d), приведенной в [4]. Среднее по диапазону частот значение входного сопротивления антенны R_вх равно волновому сопротивлению логопериодической вибраторной структуры W_лог, определяемому выражением [6 с. 209]

где - эквивалентное волновое сопротивление вибраторов 1 антенны.

Логопериодическая вибраторная антенна в режиме передачи работает следующим образом. Волна от генератора по коаксиальному фидеру 3 распространяется в направлении наименьшего вибратора 7 логопериодической вибраторной структуры. После возбуждения двухпроводной линии питания 2 проводниками 5 и 6 коаксиального фидера 3 волна по двухпроводной линии 2 распространяется в обратном направлении в сторону более длинных вибраторов. При распространении волны по линии 2 она наиболее интенсивно возбуждает вибраторы, длины l_n которых близки к резонансным (активная область структуры). При удалении от активной области как в сторону больших l_n-1, так и в сторону меньших l_n+1 вибраторов интенсивность их возбуждения двухпроводной линией 2 быстро спадает - происходит отсечка токов вибраторной структуры, причем отношение резонансных частот соседних вибраторов структуры ƒ_n/ƒ_n+1=ƒ_n-1/ƒ_n равно значению параметра τ, который определяет частотную периодичность характеристик антенны. Отсечка токов обеспечивается путем переменно-фазового подключения плеч вибраторов 1 к проводникам 4 и 8 двухпроводной линии питания 2, что позволяет сформировать излучение вибраторов активной области с максимумом в сторону вершины структуры. Рассмотрим работу предлагаемой ЛПВА в сверхширокополосном режиме, определяемом работоспособностью антенны в полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее ƒ_в/ƒ_н=20. Исходя из требований по коэффициенту усиления антенны G_a=6,5-7 дБ установлено, что параметры логопериодической вибраторной структуры τ и σ должны находиться в пределах малых значений τ=0,8-0,88 и σ=0,05-0,1. Вместе с этим должно выполняться условие 10≤l_n/а_n≤50, что приводит к падению G_a до значений G_а=3,5-4 дБ [5]. Уменьшение G при малых значениях σ объясняется сжатием (сокращением) размеров активной области ЛПВА, сопровождающимся соответствующим уменьшением длины логопериодической вибраторной структуры L_ст. Повысить G_a до требуемых значений G_a=6,5-7 дБ можно путем увеличения волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии до значения W_л=150 Ом [5]. В предлагаемой антенне W_л в сечении наибольшего вибратора антенны выбрано равным 120 Ом. Как следует из выражения (2), среднее по диапазону частот значение входного сопротивления , имеющее место в сечении наибольшего вибратора антенны, при выбранных значениях W_л=120 Ом, l_n/a_n=50; τ=0,88 и σ=0,07 равно =46,86 Ом, что близко к =50 Ом. В этом случае в двухпроводной линии 2 и в коаксиальном фидере 3 с волновым сопротивлением W_ф=50 Ом устанавливается режим бегущей волны. Так как в (1) и (2) отсутствует зависимость W_л и от частоты, то теоретически режим бегущей волны в предлагаемой ЛПВА реализуется без ограничения по рабочей полосе частоте, т.е. является частотно-независимым. При этом величина G_a сохраняется в пределах требуемых значений G_a=6,5-7 дБ, определяемых выбором параметров τ=0,88 и σ=0,07. Практически имеется ограничение частотной зависимости характеристик ЛПВА (КСВн, G_a, ДН) со стороны верхних частот рабочего диапазона антенны, на которых нарушается сверхширокополосный режим работы. Предельные значения λ_min в предлагаемой трубчатой конструкции ЛПВА определяются соотношением λ_min=(d+t₁)/0,3, полученным из условия резонансного возбуждения вибратора l_n≥d+t₁. Так как величина t зазоров 10 в сечениях наибольшего 11 и наименьшего 7 вибраторов антенны и поперечное сечение d трубчатых проводников 4 и 8 двухпроводной линии 2 (см. фиг. 2, 3) определяют значение волнового сопротивления двухпроводной линии W_л в этих сечениях, целесообразно для конкретной конструкции образца антенны определить их размеры и показать на нем сверхширокополосные возможности предлагаемой антенны. В образце антенны используются трубчатые проводники 4 и 8 двухпроводной линии 2, которые имеют квадратное поперечное сечение (см. фиг. 3) со стороной квадрата d=12 мм. Антенна рассчитывалась на диапазон рабочих частот с коэффициентом перекрытия λ_н/λ_в=20, в котором λ_н=1000 мм и λ_в=50 мм. В сечении наибольшего вибратора 11 антенны согласно формуле изобретения t=t₂=0,0095λ_н=9,5 мм, а в сечении наименьшего вибратора 7 t=t₁=0,06λ_в=3 мм. Для этих значений t отношения D₁/d=(d+t₁)/d=l,25 и D₂/d=(d+t₂)/d=l,79, что соответствует значениям волновых сопротивлений W_л=W₁=60 Oм и W_л,=W₂=120 Ом. Для согласования волновых сопротивлений W₁ и W₂ двухпроводной линии в сечениях вибраторов антенны необходимо осуществить их трансформацию по длине логопериодической вибраторной структуры L_ст. В предлагаемой ЛПВА L_ст=0,56λ_max и число вибраторов антенны N=24. Это позволяет осуществить трансформацию сопротивлений W_л из сечения наименьшего вибратора 7 антенны в сечение наибольшего вибратора 11 антенны, в котором при τ=0,88; σ=0,07; W_л=120 Ом и l_n/a_n=50, и реализовать среднее по диапазону частот значение входного сопротивления антенны ≈50 Ом в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия ƒ_в/ƒ_н=20. Конструктивно трансформатор сопротивлений совмещен с двухпроводной линией и выполнен в виде щелевой линии 12, образуемой зазорами 10 между проводниками 8 и 4 двухпроводной линии 2 (фиг. 2, 3) и расширяющейся вдоль продольной оси антенны 9 от значения t₁ в сечении наименьшего вибратора 7 антенны до значения t₂ в сечении наибольшего вибратора 11 по линейному закону, как показано на фиг. 4. Известно, что у широкополосных вибраторных антенн используются низкодобротные толстые вибраторы. С учетом этого значения параметра и 50 выбраны из соображений реализации наилучшего согласования ЛПВА с коаксиальным фидером питания с W_ф=50 Ом и достижения нижнего предела значения коэффициента усиления, равного G_a=6,5-7 дБ, в полосе частот с ƒ_в/ƒ_н=20 при минимальной длине L_ст логопериодической вибраторной структуры. Они являются оптимальными с точки зрения обеспечения сверхширокополосного режима работы ЛПВА. Результаты экспериментальных исследований образца предлагаемой ЛПВА, приведенные на фиг. 5 и фиг. 6, показывают, что в полосе частот с коэффициентом перекрытия ƒ_в/ƒ_н=20 реализуются значения КСВн=1,13-2,0 (среднее значение 1,5) и коэффициент усиления G_a=6,5-7 дБ.

Таким образом, за счет выполнения симметричных вибраторов логопериодической вибраторной антенны в виде цилиндрических проводников и выбора отношения длины проводников n-го вибратора к его диаметру a_n, удовлетворяющему условию , выполнения двухпроводной распределительной линии из трубчатых проводников круглого или квадратного поперечного сечения, расположенных симметрично относительно продольной оси антенны с образованием между ними щелевой линии, расширяющейся от t₁ в сечении наименьшего вибратора антенны до t₂ в сечении наибольшего вибратора антенны по линейному закону, трансформирующей волновое сопротивление W₁=60 Ом двухпроводной линии в сечении наименьшего вибратора антенны в волновое сопротивление W₂=120 Ом в сечении наибольшего вибратора антенны; селективного выбора параметров логопериодической вибраторной структуры τ = 0,88 и σ = 0,07, позволяющего при W_л=W₂=120 Ом и получить в сечении наибольшего вибратора антенны среднее по диапазону частот значение входного сопротивления , при котором в коаксиальном фидере и в двухпроводной линии антенны реализуется режим бегущей волны, и стабилизировать значения коэффициента усиления антенны на уровне G_a=6,5-7 дБ в рабочей полосе частот с коэффициентом перекрытия ƒ_в/ƒ_н=20.

Литература

1. Яцкевич В.Α., Микирев А.Н. Печатная логопериодическая антенна и ее сравнение с антенной Вивальди. - Антенны, 2011, вып. 6.

2. Владислав Бондарев, Роман Коленов. Согласование логопериодической антенны в широком диапазоне частот. - Современная электроника, 2012, вып. 2.

3. Фидельман В.Е. Логопериодическая вибраторная антенна. Патент Российской Федерации №2189676С2, МПК H01Q 11/10, публикация 2002.09.20.

4. Яцкевич В.А., Александров B.C. Проектирование логопериодических вибраторных антенн. - Антенны, 2005, вып. 7-8, с. 7.

5. Яковлев А.Ф., Пятненков А.Е. Ориентировочный расчет логопериодических антенн уменьшенных размеров. - Антенны, 2004, вып. 6, с. 18.

6. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М., «Энергия», 1973.

Логопериодическая вибраторная антенна, содержащая ряд симметричных вибраторов, выполненных в виде цилиндрических проводников и запитываемых от двухпроводной распределительной линии, выполненной из трубчатых проводников круглого или квадратного поперечного сечения, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий в ряду симметричный вибратор запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры, отличающаяся тем, что трубчатые проводники двухпроводной распределительной линии расположены симметрично относительно продольной оси антенны с образованием зазора между ними, причем величина зазора t в поперечных сечениях двухпроводной линии увеличивается вдоль продольной оси антенны по линейному закону от значения t₁=0,032λ_в в сечении наименьшего вибратора антенны до значения t₂=0,0066λ_н в сечении наибольшего вибратора антенны с трубчатыми проводниками круглого поперечного сечения, и соответственно от значения t₁=0,06λ_в до значения t₂=0,0095λ_н антенны с трубчатыми проводниками квадратного поперечного сечения, где λ_н и λ_в - длина волны соответственно на нижней и верхней граничной частоте рабочего диапазона частот антенны, а отношение длины n-го вибратора логопериодической структуры к его диаметру a_n выбрано удовлетворяющим условию , где n=1, 2, … N.