ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА
LOG-PERIODIC ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерной технике и может быть использовано для приема радиосигналов в коротковолновом диапазоне частот.
Известны синфазные горизонтальные коротковолновые антенны, содержащие решетку вибраторов, расположенных определенным образом в пространстве и возбуждаемых токами, равными между собой, либо закономерно отличающимися по амплитуде и фазе [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.II «Антенны». М.: Сов. радио, 1969. с.133-154]. Такие антенны отличаются узким рабочим диапазоном, определяемым резонансными свойствами отдельных вибраторов. При отклонении частоты от резонансной происходит изменение электрических длин вибраторов и питающих их фидерных линий, что резко искажает диаграмму направленности антенны.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является логопериодическая антенна, образованная собирательной линией в виде двух трубок, расположенных параллельно друг другу, к которым поочередно через один крепятся плечи вибраторов [Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б. Антенны. М: Радио и связь, 1992. с.72-73]. Выполнение такой антенны с минимальными продольными размерами менее 0,6 от максимальной рабочей длины волны считается нецелесообразным, поскольку при этом снижается коэффициент усиления, ухудшается направленность излучения и согласование с питающим фидером.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание логопериодической антенны с длиной, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны, и сохранением диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной.
Решение технической задачи достигается тем, что логопериодическая антенна состоит из двухпроводной собирательной линии и не менее чем двух пар симметричных вибраторов, которые поочередно через один подключены к противоположным проводам собирательной линии, причем длина вибраторов и расстояние между ними возрастают по мере удаления от начала антенны в геометрической прогрессии, а линии, проведенные через концы вибраторов, образуют постоянный угол, не превышающий 45°. Согласно предложенному изобретению двухпроводная собирательная линия выполнена в виде соединенных последовательно резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией, и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является сохранение диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной, при ее длине, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны.
Предлагаемая логопериодическая антенна иллюстрируется чертежами, на которых представлены принципиальная схема антенны (фиг.1) и отрезок коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией на основе цилиндрической спирали с продольно-проводящим экраном (фиг.2). На фиг.3 представлены диаграммы направленности антенны, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2.
Работа логопериодической антенны осуществляется следующим образом.
Так как вибраторы (фиг.1) отличаются друг от друга по длине, все они резонируют на различных частотах. На некоторой частоте, являющейся резонансной для одного из вибраторов, его входное сопротивление является чисто активным, а входные сопротивления остальных вибраторов будут комплексными. При этом их реактивные составляющие будут тем большими, чем больше длина каждого отличается от резонансной длины. Таким образом, поле излучения антенны будет определяться активной областью - резонансным и ближайшими к нему двумя - тремя вибраторами. Кроме пространственной связи между вибраторами существует еще и связь при помощи двухпроводной собирательной линии. Благодаря подключению плеч соседних вибраторов к противоположным проводам собирательной линии создается дополнительный сдвиг по фазе между токами в 180°. При этом возрастание рабочей частоты приводит к резонансу в более коротком вибраторе, а ее уменьшение - к резонированию следующего более длинного вибратора.
max
max
min
min
max
Наиболее длинная волна рабочего диапазона определяется максимально допустимыми размерами антенны. Длина вибратора, резонирующего на самой длинной волне 2l=λ/2. Самая короткая длина волны лимитируется технологической точностью выполнения вибратора вблизи точек возбуждения l=λ/4. Геометрическая длина антенны составляет от 0,6 до (2…3)λ.
Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами аналитического расчета и численного моделирования с помощью программы MMANA-GAL v1.2.
В логопериодической антенне длины вибраторов и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии (фиг.1):
i
i-1
1
i-1
где τ - период структуры, l, l - длины соседних вибраторов, d, d - расстояния между ними.
Угол α при вершине треугольника, образуемого линиями, проведенными через концы вибраторов, может быть определен из соотношения
где σ - относительное расстояние, равное отношению расстояния между парой соседних вибраторов к длине наибольшего из них. Величина этого острого угла не превышает 45°. В этом случае максимальная геометрическая длина антенны
max
Из проведенного анализа принципа действия антенны следует, что ее длина не может быть меньше некоторого минимально допустимого значения, поскольку интенсивное однонаправленное излучение имеет место при условии равенства расстояния между вибраторами в активной области примерно четверти длины волны. Поэтому нецелесообразно использовать антенны с длиной порядка (0,25…0,3)λ, т.е. с углами α порядка 70-90°. У таких антенн существенно ухудшаются как направленность излучения, так и согласование с питающим фидером.
Однако использование в конструкции собирательной линии антенны отрезков замедляющих систем позволяет существенно сократить ее геометрические размеры при неизменных электрических параметрах.
Электрическая длина каждого из отрезков собирательной линии определяется по формуле
ф
где d - расстояние между соседними вибраторами антенны, f - рабочая частота, ν - фазовая скорость волны в собирательной линии.
Из формулы (4) следует, что в случае расширения полосы принимаемых антенной частот Δf для сохранения прежней электрической длины собирательной линии фазовую скорость волны в ней также требуется увеличивать, то есть использовать отрезки фидерной линии с аномальной дисперсией. Применение стандартных отрезков линий передачи не позволяет этого сделать, поскольку, например, отрезок коаксиальной линии не обладает дисперсией, а отрезок замедляющей системы в виде цилиндрической спирали в изотропном металлическом экране имеет нормальную положительную дисперсию, при которой фазовая скорость волны падает с ростом частоты.
Пример конструкции коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией предложен в работе [патент РФ №2339128, МПК H01P 5/02, H01P 3/08 / А.А.Елизаров, В.Н.Каравашкина, М.Д.Морозовская. Опубл. в БИ №32, 20.11.2008]. Волна в такой линии возбуждается между внутренним цилиндрическим спиральным проводником 1 и внешним проводником 2, выполненным в виде симметрично расположенных по образующим цилиндра секторов 3, чередующихся со сквозными щелями 4 (фиг.2).
Результаты моделирования в виде диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2 для 9-элементной антенны длиной 30 м в диапазоне частот 4,05-24,05 МГц, представлены на фиг.3. Расчетный коэффициент замедления собирательной линии не более 1,5. Проведенный анализ результатов показывает, что полученные диаграммы меняются мало и являются достаточно широкими, поскольку в излучении одновременно участвует малое число вибраторов. Некоторое сужение диаграммы можно получить при увеличении периода структуры τ при неизменном угле α. Диаграмма направленности антенны сохраняет свою форму при коэффициентах замедления, не превышающих 2,0…2,5, что позволяет практически вдвое уменьшить ее геометрическую длину по сравнению с полноразмерной антенной при остающихся неизменными электрических параметрах.
Таким образом, выполняя собирательную линию из соединенных последовательно резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией, и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны, получим возможность создания антенны с длиной, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны, и сохранением диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной.