логопериодическая вибраторная антенна
Классы МПК: | H01Q11/10 антенны с логарифмическим периодом излучения |
Автор(ы): | Мирошниченко Анатолий Яковлевич (RU), Крутько Анатолий Тимофеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2008-01-14 публикация патента:
20.05.2009 |
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах связи дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, в частности, в качестве широкополосной приемопередающей антенны сотовой связи, а также в радиопеленгации и нелинейной радиолокации. Техническим результатом является снижение коэффициента стоячей волны в коаксиальном фидере в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 2. Антенна содержит ряд симметричных вибраторов, двухпроводную распределительную линию, возбуждаемую коаксиальным фидером, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряду запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической структуры. Симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания. 4 ил., 1 табл.
Формула изобретения
Логопериодическая вибраторная антенна, содержащая ряд симметричных вибраторов, запитываемых от двухпроводной рапределительной линии, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряду 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 симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, причем отношение волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии Wл к волновому сопротивлению коаксиального фидера Wф выбрано из соотношений для коаксиального фидера с волновым сопротивлением W ф=50 Ом и для коаксиального фидера с
Wф=75 Ом, а отношение длины ln n-го вибратора логопериодической структуры к эквивалентному диаметру n полоскового проводника вибратора выбрано удовлетворяющим условию , где n=1, 2, N.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в стационарных и мобильных системах связи в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн, в частности, в качестве широкополосной приемопередающей антенны сотовой связи, а также в радиопеленгации и нелинейной радиолокации. Известны логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА), содержащие ряд симметричных вибраторов, записываемых от двухпроводной распределительной линии, плечи которых подключены к ней противофазно [Peixeiro С. Design of logperiodic dipole antennas. - JEE Proc., 1988, vol.135, Pt. H, № 2, p.98-102]. Отношение длин плеч соседних вибраторов в таких антеннах связано с масштабным множителем - периодом логопериодической структуры, а расстояние между вибраторами находится в зависимости от пространственного множителя . В классическом варианте выполнения ЛПВА (симметричные прямолинейные вибраторы, двухпроводная распределительная линия питания, коаксиальный кабель возбуждения линии питания) геометрию антенны определяют из условия реализации максимального коэффициента направленного действия (КНД) путем выбора параметров и [В.А.Яцкевич, В.С.Александров. Проектирование логопериодических вибраторных антенн. - Антенны, 2005, вып.7-8, с.3-12]. При фиксированном значении существует оптимальное значение , при котором ЛПВА имеет наибольший КНД. Образовавшаяся для этой пары и логопериодическая вибраторная структура считается оптимальной. Увеличение при оптимальном значении приводит к росту КНД, вибраторная структура стремится к периодической и при значениях , близких к единице, достигается максимально возможный для бесконечной структуры КНД, а характеристики структуры будут близки к частотно-независимым [2]. Однако, если размеры вибраторной структуры конечны, то при реализации максимального КНД возникает проблема ее согласования с коаксиальным фидером антенны. Особенно заметно она проявляется при больших значениях , т.е. при реализации больших КНД.
Известные оптимальные ЛПВА имеют недостаточно высокий уровень согласования вибраторной структуры антенны с возбуждающим двухпроводную линию коаксиальным фидером, имеющим стандартные значения волнового сопротивления Wф=50 и 75 Ом.
Известно также, что активная составляющая входного сопротивления ЛПВА колеблется вокруг волнового сопротивления логопериодической вибраторной структуры, которое в свою очередь зависит от волнового сопротивления Wл двухпроводной линии [3, с.209]. Следовательно, путем выбора значения Wл можно согласовать активную составляющую входного сопротивления ЛПВА с волновым сопротивлением Wф, возбуждающего антенну коаксиального фидера. Однако рекомендуемые в [2, с.10, табл.2] для этого значения Wл приведены лишь для частного случая Wф=75 Ом, причем не оговорены условия их применения. Существующие электродинамические методы анализа ЛПВА и компьютерные программы дают большие погрешности определения геометрии и элетрических характеристик двухпроводной линии при Wл<150 Ом из-за использования тонкопроволочного приближения.
Для улучшения согласования антенны с фидером на нижнем и верхнем участках рабочего диапазона частот в [2, с.7 рис.2, с.8] предложено двухпроводную линию закончить со стороны наибольшего вибратора короткозамкнутым шлейфом длиной lкз=0,125 max и продлить ее за наименьший вибратор на lxx=0,06 min. Однако эти меры позволяют уменьшить коэффициент стоячей волны (КСВн) в фидере до значений 1,5-1,7 только в узких диапазонах частот, в пределах которых осуществляется компенсация реактивных составляющих входного сопротивления антенны на указанных участках рабочего диапазона частот.
Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является логопериодическая вибраторная антенна по патенту Российской Федерации № 2189676 С 2, МКИ H01Q 11/10, опубликованному 2002.09.20.
Она содержит ряд симметричных вибраторов, запитываемых от двухпроводной распределительной линии, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряде 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.
Данное техническое решение имеет ограничение, заключающееся в недостаточно высоком уровне широкополосного согласования антенны с коаксиальным фидером, так как в нем не оптимизированы значения волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии и не предусмотрена конструктивная возможность его практической реализации при малых значениях. Это не позволяет достичь наилучшего широкополосного согласования антенны с коаксиальным фидером, имеющим стандартные значения волнового сопротивления Wф =50 и 75 Ом, что снижает качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот.
В изобретении решается задача повышения качества приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот, а также надежности обнаружения излучений за счет улучшения согласования антенны с коаксиальным фидером.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой логопериодической вибраторной антенны, заключается в снижении коэффициента стоячей волны в коаксиальном фидере антенны в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 2.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной логопериодической вибраторной антенне, содержащей ряд симметричных вибраторов, запитываемых от двухпроводной распределительной линии, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряде 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 симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, причем отношение волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии Wл к волновому сопротивлению коаксиального фидера Wф , выбрано из соотношений для коаксиального фидера с волновым сопротивлением для коаксиального фидера с Wф=75 Ом, а отношение длины ln n-го вибратора логопериодической структуры к эквивалентному диаметру ап полоскового проводника вибратора выбрано удовлетворяющим условию , где n=1, 2 N.
На фиг.1 изображен общий вид заявленной логопериодической вибраторной антенны. На фиг.2 показана плата печатной логопериодической вибраторной структуры. На фиг.3 показана экспериментальная частотная зависимость активной Rвх и реактивной Хвх составляющей входного сопротивления предлагаемой ЛПВА в диапазоне частот с перекрытием fв /fн=2. На фиг.4 приведены результаты измерения КСВн и коэффициента усиления Ga предлагаемой антенны в широкой полосе частот.
Логопериодическая вибраторная антенна содержит ряд симметричных вибраторов 1, присоединенных к двухпроводной распределительной линии 2, и коаксиальный фидер 3, проложенный по одному из проводников линии 2. Внешний проводник (оплетка) 6 коаксиального фидера 3 имеет гальванический контакт с проводником линии 2, по которому проложен фидер 3. Вибраторы 1 и проводники двухпроводной линии 2 выполнены в виде полосковых проводников с двух сторон диэлектрического основания 4. Внутренний проводник 6 коаксиального фидера 3 через отверстие у наименьшего вибратора 1 выведен на противоположную проложенному по проводнику линии 2 внешнему проводнику 5 фидера 3 сторону основания 4, где он имеет гальванический контакт с другим проводником линии 2, например припаян к нему.
Печатная логопериодическая вибраторная структура (фиг.2) содержит N полосковых симметричных вибраторов 1 с изменяющейся по геометрической прогрессии длиной ln=l1· n-1 и шириной Sn=S1· n-1 (l1, S1 соответственно длина и ширина наибольшего вибратора, n=1, 2 N) и двухпроводную линию 2 питания вибраторов 1 в виде двух полосковых проводников одинаковой ширины "b" с диэлектрическим заполнением между ними, образующих ленточную линию (см. фиг.1). Полосковые симметричные вибраторы и полосковые проводники ленточной линии выполнены фотохимическим (печатным) методом с двух сторон диэлектрического основания 4 платы толщиной h. Геометрия вибраторной структуры определяется параметрами: - периодом логопериодической структуры; - пространственным множителем структуры; - полным углом при вершине структуры; N - числом вибраторов структуры; r - относительной диэлектрической проницаемостью материала основания платы. Ленточная линия реализуется с помощью известной формулы для h/b«1
Логопериодическая вибраторная антенна в режиме передачи работает следующим образом. Волна от генератора по коаксиальному фидеру 3 распространяется к точке 6 возбуждения логопериодической вибраторной структуры и далее по двухпроводной (ленточной) линии 2 питания вибраторов 1 распространяется в обратном направлении в сторону более длинных вибраторов. При распространении волны по линии 2 она наиболее интенсивно возбуждает вибраторы, длины ln которых близки к резонансным (активная область структуры). При удалении от активной области как в сторону больших ln-1, так и в сторону меньших ln+1 вибраторов интенсивность их возбуждения быстро спадает - происходит отсечка токов вибраторной структуры, причем отношение частот , на которых резонируют соседние вибраторы, равно . Отсечка токов обеспечивается путем переменно-фазного включения плеч вибраторов 1 в двухпроводную линию питания 2, что позволяет сформировать излучение вибраторов активной области с максимумом в сторону вершины структуры. Возбуждение волны в распределительной линии 2 ЛПВА осуществляется коаксиальным фидером 3, который, как правило, имеет стандартные значения волнового сопротивления Wф=50 и 75 Ом. Оптимизация геометрии логопериодической структуры антенны по КНД достигается путем выбора пары параметров и . Существует, как показывает анализ, два предела достижения максимальных значений КНД: верхний предел - КНД=10-11,5 дБ и нижний предел - КНД=6-7,5 дБ. Для верхнего предела =0,94-0,96, =0,21; для нижнего предела =0,82-0,86; =0,16 [2, рис.2, 4]. Для достижения заявленного технического результата необходимо установить для верхнего и нижнего пределов КНД соотношения, позволяющие определить значения волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии питания 2 Wл , при которых обеспечивается наилучшее согласование логопериодической вибраторной структуры антенны с коаксиальным фидером 3, имеющим стандартные значения Wф.
Наилучшее согласование достигается, как известно, если в фидере обеспечивается режим бегущей волны, т.е. при выполнении условия и , где и - среднее значение соответственно активной и реактивной составляющей входного сопротивления антенны. При волновое сопротивление двухпроводной линии связано с заданным значением Wф следующим соотношением:
где ,
в - эквивалентное волновое сопротивление вибраторов 1 антенны;
ln - длина n-го вибратора структуры;
аn - эквивалентный диаметр полоскового проводника n-го вибратора.
Волновое сопротивление логопериодической вибраторной структуры Wлог определяется выражением [3, с.203]:
Так как в (2) и (3) отсутствует зависимость Wл и Wлог от частоты, то все полученные с их помощью результаты являются частотно-независимыми. По формулам (2) и (3) были выполнены расчеты оптимальных по наилучшему согласованию ЛПВА с коаксиальным фидером ) значений параметров в, В, , Wлог антенны для верхнего и нижнего пределов КНД и стандартных значений Wф=50 и 75 Ом. Результаты расчетов представлены в таблице.
Параметр антенны | Wф=50 Ом | Wф=75 Ом | ||
Верхний предел КНД=10-11,5 дБ | Нижний предел КНД=6-7,5 дБ | Верхний предел КНД=10-11,5дБ | Нижний предел КНД=6-7,0 дБ | |
0,94 | 0,84 | 0,94 | 0,84 | |
0,21 | 0,16 | 0,21 | 0,16 | |
18,5 | 50 | 18,5 | 50 | |
в, Ом | 80 | 199,4 | 80 | 199,4 |
В | 0,3644 | 0,191 | 0,54 | 0,287 |
1,43 | 1,21 | 1,68 | 1,33 | |
Wлог | 50 | 50 | 75 | 75 |
В таблице каждой паре параметров и соответствует оптимальный по КНД вариант антенны. Значения параметра ln/ n=18,5 и 50, используемых при расчетах в, выбраны из соображений реализации верхнего и нижнего пределов достижения максимального КНД [2, рис.4]. Они также являются оптимальными с точки зрения широкополосности и возможностей печатной технологии изготовления вибраторов.
Из результатов расчетов следует, что для заданных стандартных значений волнового сопротивления коаксиального фидера Wф=50 и 75 Ом существуют значения волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии Wл для верхнего и нижнего пределов КНД оптимальной ЛПВА, при которых обеспечивается равенство волновых сопротивлений логопериодической вибраторной структуры и возбуждающего ее коаксиального фидера среднему значению активной составляющей входного сопротивления антенны (Wлог =Wф= ) и, следовательно, при выполнении условия реализуется наилучшее согласование антенны с коаксиальным фидером в широкой полосе частот. Оптимальные по широкополосному согласованию значения волнового сопротивления двухпроводной линии определяются, как следует из таблицы, соотношениями:
для волнового сопротивления Wф =50 Ом и
для волнового сопротивления Wф =75 Ом.
При выполнении соотношений (4) и (5) в коаксиальном фидере предлагаемой антенны с Wф=50 и 75 Ом устанавливается режим бегущей волны, который не имеет принципиальных ограничений по ширине полосы рабочих частот.
Таким образом, за счет выполнения симметричных вибраторов и двухпроводной распределительной линии логопериодической вибраторной антенны в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, и выбора с использованием формулы (1) отношения размеров образовавшейся при этом ленточной распределительной линии по найденным из соотношений (4) и (5) значениям волнового сопротивления ленточной распределительной линии Wл обеспечивается в коаксиальном фидере антенны режим бегущей волны. Это, в свою очередь, определяет малый по величине и в среднем постоянный в широкой полосе частот коэффициент стоячей волны в возбуждающем коаксиальном фидере логопериодической антенны с оптимальной геометрией вибраторной структуры, т.е. улучшает согласование антенны с коаксиальным фидером в широкой полосе частот.
Сказанное подтверждается не только приведенными выше теоретическими выводами и физическими принципами работы антенны, но и результатами экспериментальных исследований образцов предлагаемой ЛПВА. Результаты измерений активной Rвх и реактивной Хвх составляющей входного сопротивления образца антенны с Wф=50 Ом, =0,84, =0,16, рассчитанной на нижний предел КНД=6-7,5 дБ в диапазоне частот f=2380-4760 МГц и выполненной в виде полосковой конструкции с ленточной распределительной линией на диэлектрической подложке толщиной h=1,5 мм и r=5 (материал подложки "Флан-5"), имеющей Wл=60,5 Ом (b=4,17 мм), представлены на фиг.3. Видно, что в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия активная составляющая входного сопротивления антенны R вх колеблется (периодически меняется) в пределах ±25 Ом вокруг волнового сопротивления коаксиального фидера W ф, причем ее среднее значение а реактивная составляющая входного сопротивления антенны Хвх колеблется вокруг нулевого значения и ее среднее значение . Периодический характер изменения Rвх и Х вх со средними значениями и указывает на принципиальную возможность реализации низких значений КСВн в широкой полосе частот. Эта возможность проверена экспериментально на образце предлагаемой антенны с оптимальной для КНД=10 дБ геометрией ( =0,92, =0,2) в диапазоне частот с перекрытием . Антенна выполнена на диэлектрической подложке с r=5 и h=1,5 мм, значение параметра выбрано равным для всех полосковых вибраторов структуры. Ленточная распределительная линия имела волновое сопротивление Wл=71,5 Ом (b=3,53 мм), возбуждающий коаксиальный фидер Wф=50 Ом. Результаты измерений (фиг.4) показывают, что в полосе частот с перекрытием реализуются значения КСВн=1,3 1,7 (средние значения 1,5). Таким образом, реализация заявленной геометрии логопериодической вибраторной структуры и ленточной распределительной линии позволяет снизить коэффициент стоячей волны в коаксиальном фидере антенны в среднем до 1,5 в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 2.
Оценим возможность реализации двухпроводной линии ЛПВА, определяемой соотношением (4), при выполнении линии из проводников круглого сечения диаметром d и расстоянии D между центрами проводников. Для верхнего и нижнего пределов (4) и Wф=50 Ом волновое сопротивление двухпроводной линии равно соответственно W л=60,5 и 71,5 Ом. Используя известную формулу , получаем, что при выполнении двухпроводной линии, имеющей волновое сопротивление Wл=60,5 и 71,5 Ом, из проводников круглого сечения с d=4, 6, 10 мм под стандартные диаметры коаксиальных кабелей зазоры между проводниками составляют: D - d=0,52; 0,78 и 1,3 мм для Wл=60,5 Ом и 0,73; 1,1 и 1,82 мм для Wл=71,5 Ом. Реализовать двухпроводную линию с такими малыми зазорами между проводниками весьма проблематично. Однако в полосковом исполнении (фиг.1) двухпроводная линия 2 с волновым сопротивлением Wл=60,5 и 71,5 Ом легко реализуется, например, на отечественном высокочастотном диэлектрическом материале типа флан - 5×1,5 мм (b=4,17 и 3,53 мм; h=1,5 мм) или импортном материале типа Rodgers 4350 В ( r=3,2; h=0,7 мм) с использованием технологии изготовления печатных плат фотохимическим методом.
Литература
1. Peixeiro С. Design of logperiodic dipole antennas. - JEE Proc., 1988, vol. 135, Pt. H, № 2, p.98-102.
2. Яцкевич В.А., Александров B.C. Проектирование логопериодических вибраторных антенн. - Антенны, 2005, вып.7-8, с.3-12.
3. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М.: "Энергия", 1973.
Класс H01Q11/10 антенны с логарифмическим периодом излучения
однонаправленная коническая антенна - патент 2505893 (27.01.2014) | |
многорезонансная однонаправленная вибраторная антенна - патент 2505892 (27.01.2014) | |
логопериодическая антенна - патент 2485643 (20.06.2013) | |
биконическая антенна - патент 2481678 (10.05.2013) | |
логопериодическая комбинированная антенна - патент 2427946 (27.08.2011) | |
логопериодическая антенна - патент 2392706 (20.06.2010) | |
логопериодическая антенна - патент 2387060 (20.04.2010) | |
вибраторная логопериодическая антенна поперечного излучения - патент 2383088 (27.02.2010) | |
кольцевая антенна - патент 2346364 (10.02.2009) | |
логопериодическая антенна - патент 2253926 (10.06.2005) |