МИКРОПОЛОСКОВАЯ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосного облучателя зеркальных антенн при организации спутниковой связи и радиомониторинга С диапазона.

Уровень техники.

Известные логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА) состоят из системы параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости, противофазно возбуждаемых симметричным распределительным фидером, начиная с самого короткого вибратора. Длины вибраторов и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии со знаменателем τ - периодом структуры. Междурядный коэффициент σ представляет собой относительное расстояние между соседними вибраторами [1]. Каждому периоду структуры τ соответствует определенный междурядный коэффициент σ, при котором достигается максимальное усиление. Оптимальные значения а лежат в пределах от 0,12 до 0,19 [2].

К недостаткам данных антенн относится то, что выбор оптимального междурядного коэффициента при периоде структуры близком к единице приводит, с одной стороны, к росту коэффициента направленного действия (КНД), а с другой стороны, к увеличению значений коэффициента стоячей волны (КСВ) в возбуждающем коаксиальном фидере.

В существующих вариантах исполнения логопериодических антенн приемлемых значений КСВ (менее 1,8) добиваются одним из следующих способов. Так в работе [2, с. 344] для согласования логопериодической вибраторной антенны с коаксиальным кабелем в диапазонах ультракоротких (УКВ) и дециметровых (ДМВ) волн используют короткозамкнутый шлейф длиной менее, λ_max/8, присоединяемый к точкам питания самого длинного вибратора, а в коротковолновом (KB) диапазоне - перемычку.

Недостаток таких вариантов антенн заключается в том, что при дальнейшем увеличении частоты и переходе к сантиметровому диапазону (СМВ) длин волн этого становится недостаточно, поскольку перемычка начинает играть роль неоднородности, которая может оказать существенное влияние на характеристики антенны. Поэтому в работе [3] предложено дополнительно продлить распределительный фидер за самый короткий вибратор на расстояние 0,06λ_min. Эта мера позволяет несколько снизить значение КСВ до 1,5-1,7 в узком диапазоне частот. Авторы статьи [4] предлагают иной способ согласования, заключающийся в использовании симметричной полосковой линии, являющейся одновременно и линией питания, и трансформатором сопротивления.

Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является логопериодическая вибраторная антенна по патенту Российской Федерации №2356140 C1, МПК H01Q 11/10, опубликованному 20.05.2009, бюллетень №14 [5]. Данный патент был выбран авторами в качестве прототипа.

Антенна содержит ряд симметричных вибраторов, запитываемых от симметричного распределительного фидера, являющегося нагрузкой для возбуждающего коаксиального фидера, при этом каждый последующий симметричный вибратор в антенне запитан противофазно предшествующему, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между ними выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры. Симметричные вибраторы и симметричный распределительный фидер выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, причем отношение волнового сопротивления симметричного распределительного фидера W_л к волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера W_ф выбрано из соотношений при условии, что W_ф=50 Ом, или при условии, что W_ф=75 Ом, а отношение длины l_n плеча n-го симметричного вибратора логопериодической структуры к эквивалентному радиусу полоскового проводника вибратора a_n выбрано удовлетворяющим условию , где n=1…N.

Данное техническое решение имеет ограничение, заключающееся в том, что авторами патента для обеспечения значений КСВ возбуждающем коаксиальном фидере 1,3-1,7 в диапазоне рабочих частот с коэффициентом перекрытия больше 2 при достижении значений КНД в нижнем и верхнем пределах 6-7,5 дБ и 10-11,5 дБ соответственно предлагается выбирать строго определенные значения пары параметров τ и σ, оптимизированные под два из возможных стандартных значений волнового сопротивления возбуждающего коаксиального фидера W_ф=50 Ом W_ф=75 Ом. Кроме того, значения активной и реактивной составляющих входного сопротивления антенны не являются постоянными, а колеблются с достаточно большой амплитудой в пределах рабочего диапазона частот [5]. В качестве недостатка данного технического результата следует отметить то, что оптимизационная процедура направлена лишь на снижение КСВ без существенного увеличения КНД антенны.

Сущность изобретения

Целью заявляемого технического решения является повышение качества приема и передачи радиосигналов в сантиметровом диапазоне длин волн (в С диапазоне) за счет улучшения согласования антенны с возбуждающим коаксиальным фидером и существенного увеличения КНД антенны.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой логопериодической вибраторной антенне, содержащей ряд симметричных вибраторов, отношение длин плеч и расстояний между которыми выбраны по соотношениям оптимальной логопериодической структуры, запитываемых от симметричного распределительного фидера, ширина которого в точках присоединения вибраторов определяется выражением b_n=b₀·τ2,6^(N-n~1), где n=0…N-1, причем n=0 соответствует самому длинному вибратору, а n=N-1 - самому короткому. Ширина симметричного распределительного фидера в месте подключения самого короткого вибратора выбиралась таким образом, чтобы волновое сопротивление данного фидера равнялось волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера. Расчет ширины симметричного распределительного фидера производился в соответствии с выражением [6]:

где - эффективное значение диэлектрической проницаемости, а h - толщина диэлектрической пластины, ε - относительная диэлектрическая проницаемость (для выбранного в качестве диэлектрика материала подложки ФЛАН-2,8 ε=2,9, тангенс угла диэлектрических потерь tg(δ)=1,5·10^-3 и h=1,95 мм). Симметричный распределительный фидер и симметричные вибраторы выполнены фотохимическим (печатным) методом в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон от диэлектрического основания, причем эквивалентный радиус полосковых вибраторов определяется выражением a_n=a₀·τ^2,5n. Максимальное значение эквивалентного радиуса выбиралось из условия a₀=0,5b₀. Антенна питается возбуждающим коаксиальным фидером с волновым сопротивлением W_ф=50 Ом.

На фиг. 1 изображены три проекции конструкции заявленной логопериодической вибраторной антенны.

На фиг. 2 изображен вид микрополосковой печатной платы логопериодической антенны.

На фиг. 3 приведены геометрические размеры элементов логопериодической антенны.

Логопериодическая вибраторная антенна (см. фиг. 1) содержит ряд симметричных вибраторов 1, присоединенных к симметричному распределительному фидеру 2, которые выполнены в виде полосковых проводников с двух сторон диэлектрического основания 3. Возбуждающий коаксиальный фидер 4 проложен по одному из проводников симметричного распределительного фидера 2. Оплетка 5 возбуждающего коаксиального фидера 4 имеет контакт с одним из проводников симметричного распределительного фидера 2 в месте подключения наименьшего из вибраторов, а центральная жила 6 возбуждающего коаксиального фидера 4 имеет контакт с противоположным проводником симметричного распределительного фидера 2. Со стороны наибольшего из вибраторов проводники симметричного распределительного фидера 2 соединены между собой короткозамкнутым шлейфом 7.

Принцип действия такой антенны состоит в следующем. К антенне по симметричному распределительному фидеру подводится электрический сигнал с частотой f_n, n=0…Ν-1, являющейся резонансной для n-го вибратора. Вибраторы, расположенные в начале антенны и короткие в сравнении с резонирующим, а также расположенные в конце антенны и длинные в сравнении с резонирующим, практически не излучают, так как токи, ответвляющиеся в них, малы по амплитуде в силу большой величины реактивной составляющей входного сопротивления вибраторов.

Резонирующий n-й вибратор антенны возбуждается волной напряжения в симметричном распределительном фидере наиболее интенсивно, так как величина реактивной составляющей его входного сопротивления минимальна, а само входное сопротивление носит практически активный характер. По обе стороны от резонирующего вибратора расположены вибраторы, выполняющие роль директоров и рефлекторов, амплитуды токов в которых соизмеримы с амплитудой тока в резонирующем вибраторе ввиду наличия небольшой по величине реактивной составляющей их входного сопротивления. Таким образом, существует так называемая активная область антенны, в составе которой, как правило, присутствует от трех до пяти вибраторов.

При изменении рабочей частоты в сторону уменьшения, начинает резонировать следующий более длинный вибратор по отношению к ранее рассмотренному случаю и активная область перемещается вдоль антенны к ее концу. Напротив, при увеличении частоты активная область смещается к вершине антенны [7]. Для согласования антенны с возбуждающим коаксиальным фидером и стабилизации КСВ в заданных пределах 1,1-1,7, а также для обеспечения заданного значения КНД проведена оптимизация геометрии полосковых вибраторов и симметричного распределительного фидера, которая осуществлялась при заданных периоде структуры τ и соответствующем ему оптимальном значении междурядного коэффициента σ.

Анализ существующих электродинамических моделей ЛПВА показал, что в известных оптимальных структурах предполагается, что вибратор как элемент антенны является бесконечно тонким и идеально проводящим электрический ток; амплитудное распределение тока носит синусоидальный характер вдоль симметричного вибратора; комплексные эквивалентные входные сопротивления отдельных вибраторов представлены суммой комплексного собственного сопротивления вибратора и комплексного вносимого сопротивления со стороны других вибраторов системы, учитывающего взаимную электромагнитную связь между ними; все элементы многовибраторной антенны питаются от отдельных фидерных линий и согласованы с ними [1, с. 341], или распределительный фидер согласован с резонирующим элементом и двумя соседними с ним, а влияние остальных элементов не учитывается [1, с. 19].

Данные допущения не позволяют произвести точную оценку ширины активной области антенны, наведенной мощности излучения всеми вибраторами на рассматриваемый элемент, а также направленных свойств ЛПВА таких, как ширина диаграммы направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления (КУ) и относительный уровень боковых лепестков (УБЛ).

Известно, что питание ЛПВА осуществляется одним распределительным фидером, а отдельные элементы антенны являются нагрузками, включаемыми в его различные сечения. При этом комплексные эквивалентные входные сопротивления излучателей сложным образом зависят от частоты из-за наличия электромагнитной связи между ними и не являются комплексно сопряженными величинами входному сопротивлению фидера в рассматриваемых сечениях. В работе [8] предложена методика расчета амплитудно-фазовых распределений токов вдоль ЛПВА, в которой производится учет влияния распределительного фидера и величины сопротивления омических потерь элементов. В статье [9] произведен учет влияния распределительного фидера на характеристики излучения ЛПВА и представлена математическая модель поля излучения и поляризационных свойств ЛПВА в дальней зоне.

В предложенной авторами методике расчета клеммных токов вибраторов, согласно методу наведенных ЭДС, клеммный ток i-го вибратора определяется выражением:

где - элементы матрицы, обратной по отношению к матрице собственных и взаимных сопротивлений вибраторов с учетом омических потерь, - комплексная амплитуда клеммного напряжения i-го вибратора.

Клеммные напряжения определяются рекуррентным соотношением вида:

где i=0…(N-2), - комплексная амплитуда напряжения на входе симметричного распределительного фидера, Z_вхi - комплексное входное сопротивление i-го вибратора с учетом влияния симметричного распределительного фидера, γ=α+jβ - комплексный коэффициент распространения волны в симметричном распределительном фидере, α - коэффициент затухания в симметричном распределительном фидере, β - коэффициент фазы в симметричном распределительном фидере, S_i-1 - расстояние между i-ым и (i-1)-ым вибраторами. Входящее в данное рекуррентное соотношение комплексное входное сопротивление Z_вхi определяется выражением вида

где - комплексное входное сопротивление i-го вибратора с учетом его электромагнитной связи с другими вибраторами антенны, а - комплексное входное сопротивление сечения симметричного распределительного фидера в месте подключения i-го вибратора.

Комплексное входное сопротивление i-го вибратора задано выражением вида

где Z_ij - элементы матрицы собственных и взаимных сопротивлений вибраторов, а комплексное входное сопротивление сечения симметричного распределительного фидера определяется рекуррентным соотношением вида

Математическая модель поля излучения ЛПВА в дальней зоне представляет собой сумму комплексных амплитуд напряженностей электрического поля от всех элементов антенны в предположении бесконечной малости радиуса элемента ЛПВА, малости зазора между клеммами и соосности плеч элемента.

Комплексная амплитуда напряженности электрического поля отдельного элемента ЛПВА определяется выражением вида [10]:

где (θ, φ) - сферические координаты, , r - расстояние от клемм самого длинного элемента до клемм i-го элемента, R - расстояние от клемм самого длинного элемента до точки наблюдения, а комплексная амплитуда напряженности электрического поля ЛПВА в дальней зоне:

Коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения может быть рассчитан в соответствии с выражением вида:

где Е_max - максимальное значение амплитуды напряженности электрического поля антенны.

Поляризационная диаграмма и коэффициент эллиптичности антенны определяются выражениями вида:

Данная электродинамическая модель была положена в основу модельных исследований направленных и поляризационных свойств, а также электрических характеристик патентуемой антенны в среде MathCAD, результаты которых представлены на фиг. 4-9. Анализ полученных результатов показал, что форма диаграммы направленности остается практически неизменной во всем рабочем диапазоне частот и происходит некоторое увеличение ширины ДН при увеличении рабочей частоты (см. фиг. 4-5). Поляризационная диаграмма представляет собой правильную восьмерку, а поляризационная характеристика - прямую во всем диапазоне частот, что свидетельствует о линейном характере поляризации излучаемой антенной волны (см. фиг. 6). Значения коэффициента усиления заключены в диапазоне от 9,4 до 12,7 и в среднем спадают с ростом рабочей частоты (см. фиг. 7).

Анализ частотной зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления ЛПВА (фиг. 8) позволяет сделать вывод о том, что обе составляющие остаются практически неизменными во всем рабочем диапазоне частот, причем активная составляющая совершает незначительные колебания вокруг значения 50 Ом, соответствующего волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера, а реактивная составляющая носит емкостной характер со средним абсолютным значением 10 Ом. Наличие небольшой реактивной составляющей входного сопротивления ЛПВА говорит о небольшом рассогласовании антенны с возбуждающим коаксиальным фидером. Значения КСВ также остаются стабильными и лежат в заявленных пределах от 1,1 до 1,7 (см. фиг. 9). Таким образом, заявленная конфигурация ЛПВА позволяет достигнуть значений коэффициента усиления 9,4-12,7 дБ при значениях КСВ от 1,1 до 1,7.

Техническим результатом является снижение коэффициента стоячей волны (КСВ) в возбуждающем коаксиальном фидере до значений 1,1-1,7 во всем рабочем диапазоне частот при достижимом уровне коэффициента усиления антенны от 9,4 до 12,7 дБ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петров Б.М., Костромин Г.И., Горемыкин Е.В. Логопериодические вибраторные антенны: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 239 с.

2. Ротхаммель К. Энциклопедия антенн. Том 1, 2. Издание 11 исправл. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 812 с.

3. Яцкевич В.Α., Александров В.С. Проектирование логопериодических вибраторных антенн // Антенны, Вып. 7-8, 2005. - с. 3-12.

4. Бондарев В., Каленов Р. Согласование логопериодической антенны в широком диапазоне частот // Современная электроника, №2, 2012. - с. 52-56.

5. Патент Российской Федерации №2356140 C1, МПК H01Q 11/10, опубликован 20.05.2009, бюллетень №14.

6. Проектирование полосковых устройств СВЧ: учебное пособие. - Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2001. - 129 с.

7. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.Α., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 351 с.

8. Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Кужекин Д.В. Расчет электрических параметров многоэлементной антенны с учетом взаимодействия элементов посредством фидерной линии. Журнал Радиотехника №2, 2013 г. Территориально-распределенные системы охраны (журнал в журнале «Радиосистемы») - с. 103-106].

9. Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Кужекин Д.В. Сравнительный анализ направленных свойств ЛПВА стандарта GSM-900 по результатам модельного и натурного экспериментов. Журнал Радиотехника №2, 2014 г. Территориально-распределенные системы охраны (журнал в журнале «Радиосистемы») - с. 95-98.

10. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. - М.: Энергия, 1975. - 528 с.