ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной сверхширокополосной антенны либо в качестве базового элемента антенной решетки.

Известна логопериодическая антенна («Сверхширокополосные антенны» под ред. Л.С.Бененсона. М.: Мир, 1964, с.371), используемая в качестве сверхширокополосного облучателя зеркальных антенн, содержащая две идентичные логопериодические трапецеидальные структуры, расположенные под углом ψ друг к другу с вершинами в общей точке.

Логопериодическая структура представляет собой решетку подобных элементов, расположенных на общей оси, размеры которых и расстояние между ними изменяется по закону геометрической прогрессии с коэффициентом подобия τ<1. Если первый элемент решетки резонирует на частоте f_n, то последующие элементы будут резонировать на частоте f_n=τⁿf₁ (n - номер элемента), при этом свойства антенны изменяются периодично с логарифмом частоты, повторяясь на частотах, отличающихся в 8 раз. Если изменение параметров антенны в пределах одного частотного периода (от f_k до τf_k) допустимо, то антенна будет практически сверхширокополосной.

Существенным недостатком таких логопериодических антенн является неидентичность ширины диаграммы направленности (ШДН) в ортогональных плоскостях и значительный уровень бокового излучения (до 10 дБ).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранная в качестве прототипа направленная антенна с логарифмической периодичностью (а.с. СССР №148116, кл. 21а⁴, 35₁₄, Бюл. №12 за 1962 г.), состоящая из расположенных под углом плоских структур, где с целью уменьшения уровня паразитной поляризации в главном направлении и улучшения согласования со стандартным коаксиальным кабелем к внутренней жиле кабеля присоединены две логарифмически-периодические структуры, расположенные симметрично относительно центральной структуры, соединенной с внешней оболочкой кабеля.

Существенным недостатком этой направленной антенны с логарифмической периодичностью являются неидентичность ШДН в ортогональных плоскостях (Е и Н). В плоскости Е ШДН остается практически неизменной и относительно узкой (по уровню минус 10 дБ составляет порядка 90-100°). В результате чего по возможным значениям ШДН в плоскости Н такие логопериодические антенны могут эффективно использоваться как сверхширокополосные излучатели в зеркальных антеннах с соотношением f/D от 0,2 до 0,8 (f - фокусное расстояние, D - диаметр зеркала), а в плоскости Е в зеркальных антеннах с соотношением f/D от 0,45 до 0,65, а уровень бокового излучения составляет 10 дБ. Следовательно, неидентичность ШДН в ортогональных плоскостях и, прежде всего, обуженность ШДН в плоскости Е ограничивает возможность применения таких антенн в качестве облучателей зеркальных антенн с большим соотношением f/D.

Технической задачей изобретения является повышение идентичности ШДН в ортогональных плоскостях и снижение уровня бокового излучения.

Задача достигается тем, что в известной антенне, состоящей из расположенных под углом плоских структур, стандартного коаксиального кабеля, к внутренней жиле которого присоединены две логарифмически-периодические структуры, расположенные симметрично относительно центральной структуры, соединенной с внешней оболочкой коаксиального кабеля, согласно изобретению крайние логарифмически-периодические структуры расположены под углом α=45°, а на расстоянии l=0,15λ_макс от вибраторов наибольшей длины крайних логарифмически-периодических структур расположен экран из диэлектрического материала с ε=6 в форме квадрата с размерами сторон λ_макс × λ_макс, перфорированный двадцатью отверстиями диаметром 0,07λ_макс, расположенными симметрично оси квадрата, где λ_макс- максимальная длина волны рабочего диапазона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная логопериодическая антенна отличается наличием нового элемента - экрана из диэлектрического материала с ε=6, в форме квадрата с размерами сторон λ_макс × λ_макс, перфорированного двадцатью отверстиями диаметром 0,07λ_макс расположенными симметрично оси квадрата, расположенного на расстоянии l=0,15λ_макс от вибраторов наибольшей длины крайних структур, а крайние структуры расположены под углом α=45°.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны, однако введение их в логопериодическую антенну указанным образом и с указанными связями, а также расположение крайних структур под углом α=45° позволяет обеспечить ей такое сложение полей в дальней зоне от логопериодических структур, при котором ШДН в плоскости H обужается, а в плоскости Е расширяется. В результате чего обеспечивается выравнивание ширины диаграммы направленности логарифмически-периодической антенны в ортогональных плоскостях и снижается уровень бокового излучения.

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является «промышленно применимым», так как оно может быть использовано в различных областях радиосвязи.

На фиг.1 приведен общий вид логарифмически-периодической антенны.

На фиг.2 приведены графики зависимости ширины диаграммы направленности (2Θ°) по уровню минус 10 дБ в зависимости от частоты в плоскостях Е и Н для прототипа и предлагаемой логарифмически-периодической антенны.

На фиг.3 приведен внешний вид макета логарифмически-периодической антенны.

Фиг.1: 1, 2 - крайние логарифмически-периодические структуры, 3 - центральная логарифмически-периодическая структура, 4 - коаксиальный кабель, 5 - экран из диэлектрического материала.

Логопериодическая антенна (фиг.1) выполнена в виде H-плоскостной решетки, состоящей из трех логарифмически-периодических структур 1, 2, 3, расположенных вершинами в общей точке О. Крайние логарифмически-периодические структуры 1, 2 расположены под углом α=45° друг к другу, a центральная логарифмически-периодическая структура 3 расположена вдоль биссектрисы угла α=45°. Запитывается антенна коаксиальным кабелем 4, проложенным вдоль центральной логарифмически-периодической структуры 3, внешняя оплетка которого соединена с ее вершиной, а центральная жила - с вершинами логарифмически-периодических структур 1, 2. На расстоянии l=0,15λ_макс от вибраторов наибольшей длины логарифмически-периодических структур 1, 2 расположен экран 5 из диэлектрического материала с ε=6 в форме квадрата с размерами сторон λ_макс × λ_макс, перфорированный двадцатью отверстиями диаметром 0,07λ_макс, расположенными симметрично оси квадрата, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Логопериодическая антенна работает следующим образом.

Питающее напряжение (фиг.1) по коаксиальному кабелю 4 подводится к вершинам логарифмически-периодических структур 1, 2, 3 и возбуждает их. В результате происходит излучение ими электромагнитных волн в положительном направлении оси Z. Однако вследствие неидентичности элементов распределение фаз структуры будет таким, что будет осуществляться излучение электромагнитных волн в направлении больших вибраторов, что приведет к появлению бокового излучения. Для уменьшения уровня бокового излучения на расстоянии l=0,15λ_макс от вибраторов наибольшей длины крайних структур 1, 2 расположен экран 5 из диэлектрического материала с ε=6 в форме квадрата с размерами сторон λ_макс × λ_макс, перфорированный двадцатью отверстиями диаметром 0,07λ_макс, расположенными симметрично оси квадрата, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона. Это позволяет частично понизить электромагнитное излучение от больших вибраторов и рассеять его вдоль экрана, что приведет к ослаблению его влияния на ДН антенны и снизит уровень бокового излучения.

Излученные логарифмически-периодическими структурами электромагнитные поля, складываясь в дальней зоне, формируют суммарное поле с определенным угловым распределением амплитуды, т.е. определенной диаграммной направленности (ДН). При этом механизм формирования ДН в плоскостях Е (плоскость YZ) и Н (плоскость XZ) различный и определяется преимущественно проекцией логарифмически-периодической антенны на эти плоскости и распределением поля в раскрыве. Проекция логарифмически-периодической антенны на горизонтальную плоскость (плоскость Н) представляет собой трехэлементную решетку продольно-излучающих логарифмически-периодических структур, расположенных радиально вершинами в общей точке. ДН такой решетки описывается известным выражением [1], которое применительно к обозначениям фиг.1 и имеет вид

где f(φ- δ_n) - диаграмма направленности элемента;

A_n - напряжение в точке возбуждения n-го элемента;

γ_n - относительная фаза поля, излучаемого n-м элементом;

β=2π/λ - волновое число;

d - расстояние от вершины (точки О) до фазового центра элемента.

Анализ рассчитанных согласно выражению (1) ДН показал, что в плоскости Н предложенная логопериодическая антенна обладает более узкой ДН по сравнению с ДН логарифмически-периодической антенны-прототипа, что подтверждается и практическими результатами, приведенными на фиг.2.

Проекция логарифмически-периодической антенны на вертикальную плоскость YZ (фиг.1) представляет собой плоскую продольно-излучающую антенну, которую можно рассматривать как антенную решетку, состоящую из двух плоских логопериодических антенн, имеющих общий раскрыв. Одна из них образована проекциями на плоскость YZ логарифмически-периодических структур 1 и 3, а вторая - логарифмически-периодических структур 2 и 3. Распределение поля в такой антенной решетке согласно принципу линейной суперпозиции представляет собой сумму функций распределения поля в двух совпадающих однородных раскрывах с изменением фазы вида E(U)=ехр[j(πU/2а)] в одном раскрыве и с изменением фазы вида E(U)=exp[-j(πU/2a)] - в другом, которая равна E_Σ(U)=cos(πU/2a). Следовательно, можно полагать, что рассматриваемая логопериодическая антенна обладает в плоскости Е распределением поля по закону косинуса, которое, как известно, ведет к расширению ДН по нулям в полтора раза по сравнению с равномерным распределением поля, присущим логарифмической антенне-прототипу.

Таким образом, предложенное техническое решение ведет к сужению ДН логарифмической антенны в плоскости Н и расширению - в плоскости Е, повышая тем самым их идентичность, и снижает уровень бокового излучения.

Экспериментальные исследования качественно подтвердили теоретические предпосылки. Измеренные значения ШДН по уровню минус 10 дБ в плоскости Е и Н действующей модели (фиг.3) предложенной логарифмической антенны и аналогичные характеристики логарифмической антенны-прототипа приведены на фиг.2. Уровень бокового излучения снизился до 20 дБ. При этом обе антенны имеют одинаковые геометрические параметры логарифмически-периодических структур.

Сравнительный анализ приведенных характеристик свидетельствует о том, что предложенное техническое решение ведет к повышению идентичности ШДН в ортогональных плоскостях и снижению уровня бокового излучения, что является необходимым для расширения границы применимости таких логопериодических антенн в качестве облучателя зеркальных антенн с малыми значениями соотношения f/D.

Логарифмически-периодические структуры изготовлены из листа ДПРХМ 1,0 НД Л63 ГОСТ 931-90, экран изготовлен из текстолита ПТК-2,0 сорт 1 ГОСТ 5-78, коаксиальный кабель РК50-2-25-С.

Предложенное техническое решение позволяет при использовании логарифмически-периодической антенны в качестве сверхширокополосного облучателя осесимметричных зеркальных антенн обеспечить их эффективное облучение и тем самым повысить энергетический потенциал приемной системы.