ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА
LOG-PERIODIC VIBRATOR ANTENNA

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 τ - периодом логопериодической структуры, а расстояние между вибраторами находится в зависимости от пространственного множителя σ. 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 τ и σ [В.А.Яцкевич, В.С.Александров. Проектирование логопериодических вибраторных антенн. - Антенны, 2005, вып.7-8, с.3-12]. При фиксированном значении τ существует оптимальное значение σ, при котором ЛПВА имеет наибольший КНД. Образовавшаяся для этой пары τ и σ логопериодическая вибраторная структура считается оптимальной. Увеличение τ при оптимальном значении σ приводит к росту КНД, вибраторная структура стремится к периодической и при значениях τ, 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 τ, т.е. при реализации больших КНД.
ф
Известные оптимальные ЛПВА имеют недостаточно высокий уровень согласования вибраторной структуры антенны с возбуждающим двухпроводную линию коаксиальным фидером, имеющим стандартные значения волнового сопротивления W=50 и 75 Ом.
л
л
ф
л
ф
л
Известно также, что активная составляющая входного сопротивления ЛПВА колеблется вокруг волнового сопротивления логопериодической вибраторной структуры, которое в свою очередь зависит от волнового сопротивления W двухпроводной линии [3, с.209]. Следовательно, путем выбора значения W можно согласовать активную составляющую входного сопротивления ЛПВА с волновым сопротивлением W, возбуждающего антенну коаксиального фидера. Однако рекомендуемые в [2, с.10, табл.2] для этого значения W приведены лишь для частного случая W=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 W<150 Ом из-за использования тонкопроволочного приближения.
кз
max
xx
min
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 l=0,125 λ и продлить ее за наименьший вибратор на l=0,06λ. 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.
ф
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 W=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.
л
ф
ф
n
п
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 W к волновому сопротивлению коаксиального фидера W, выбрано из соотношений  для коаксиального фидера с волновым сопротивлением  для коаксиального фидера с W=75 Ом, а отношение длины l n-го вибратора логопериодической структуры к эквивалентному диаметру а полоскового проводника вибратора выбрано удовлетворяющим условию , где n=1, 2…N.
вх
вх
в
н
a
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 R и реактивной Х составляющей входного сопротивления предлагаемой ЛПВА в диапазоне частот с перекрытием f/f=2. На фиг.4 приведены результаты измерения КСВн и коэффициента усиления G 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.
n
1
n
1
1
1
r
n-1
n-1
Печатная логопериодическая вибраторная структура (фиг.2) содержит N полосковых симметричных вибраторов 1 с изменяющейся по геометрической прогрессии длиной l=l·τ и шириной S=S·τ (l, S 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: τ - периодом логопериодической структуры; σ - пространственным множителем структуры; α - полным углом при вершине структуры; N - числом вибраторов структуры; ε - относительной диэлектрической проницаемостью материала основания платы. Ленточная линия реализуется с помощью известной формулы для h/b«1
n
n-1
n+1
ф
л
ф
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 l которых близки к резонансным (активная область структуры). При удалении от активной области как в сторону больших l, так и в сторону меньших l вибраторов интенсивность их возбуждения быстро спадает - происходит отсечка токов вибраторной структуры, причем отношение частот , на которых резонируют соседние вибраторы, равно τ. 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 W=50 и 75 Ом. Оптимизация геометрии логопериодической структуры антенны по КНД достигается путем выбора пары параметров τ и σ. 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 τ=0,94-0,96, σ=0,21; для нижнего предела τ=0,82-0,86; σ=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 W, при которых обеспечивается наилучшее согласование логопериодической вибраторной структуры антенны с коаксиальным фидером 3, имеющим стандартные значения W.
ф
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 W следующим соотношением:
где ,
в
ρ - эквивалентное волновое сопротивление вибраторов 1 антенны;
n
l - длина n-го вибратора структуры;
n
а - эквивалентный диаметр полоскового проводника n-го вибратора.
лог
Волновое сопротивление логопериодической вибраторной структуры W определяется выражением [3, с.203]:
л
лог
в
лог
ф
Так как в (2) и (3) отсутствует зависимость W и W 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 ρ, В, , W антенны для верхнего и нижнего пределов КНД и стандартных значений W=50 и 75 Ом. Результаты расчетов представлены в таблице.
Параметр антенны
W<sub>ф</sub>=50 Ом
W<sub>ф</sub>=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
τ
0,94
0,84
0,94
0,84
σ
0,21
0,16
0,21
0,16
<img file="00000018.tif" he="11" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
18,5
50
18,5
50
ρ<sub>в</sub>, Ом
80
199,4
80
199,4
В
0,3644
0,191
0,54
0,287
<img file="00000017.tif" he="12" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
1,43
1,21
1,68
1,33
W<sub>лог</sub>
50
50
75
75
n
n
в
В таблице каждой паре параметров τ и σ соответствует оптимальный по КНД вариант антенны. Значения параметра l/α=18,5 и 50, используемых при расчетах ρ, 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.
ф
л
лог
ф
Из результатов расчетов следует, что для заданных стандартных значений волнового сопротивления коаксиального фидера W=50 и 75 Ом существуют значения волнового сопротивления двухпроводной распределительной линии W 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 (W=W=) 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:
ф
для волнового сопротивления W=50 Ом и
ф
для волнового сопротивления W=75 Ом.
ф
При выполнении соотношений (4) и (5) в коаксиальном фидере предлагаемой антенны с W=50 и 75 Ом устанавливается режим бегущей волны, который не имеет принципиальных ограничений по ширине полосы рабочих частот.
л
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 W 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.
вх
вх
ф
r
л
вх
ф
вх
вх
вх
r
л
ф
Сказанное подтверждается не только приведенными выше теоретическими выводами и физическими принципами работы антенны, но и результатами экспериментальных исследований образцов предлагаемой ЛПВА. Результаты измерений активной R и реактивной Х составляющей входного сопротивления образца антенны с W=50 Ом, τ=0,84, σ=0,16, рассчитанной на нижний предел КНД=6-7,5 дБ в диапазоне частот Δf=2380-4760 МГц  и выполненной в виде полосковой конструкции с ленточной распределительной линией на диэлектрической подложке толщиной h=1,5 мм и ε=5 (материал подложки "Флан-5"), имеющей W=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 колеблется (периодически меняется) в пределах ±25 Ом вокруг волнового сопротивления коаксиального фидера W, причем ее среднее значение  а реактивная составляющая входного сопротивления антенны Х колеблется вокруг нулевого значения и ее среднее значение . Периодический характер изменения R и Х 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 (τ=0,92, σ=0,2) в диапазоне частот с перекрытием . Антенна выполнена на диэлектрической подложке с ε=5 и h=1,5 мм, значение параметра  выбрано равным  для всех полосковых вибраторов структуры. Ленточная распределительная линия имела волновое сопротивление W=71,5 Ом (b=3,53 мм), возбуждающий коаксиальный фидер W=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.
ф
л
л
л
л
л
r
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 W=50 Ом волновое сопротивление двухпроводной линии равно соответственно W=60,5 и 71,5 Ом. Используя известную формулу , получаем, что при выполнении двухпроводной линии, имеющей волновое сопротивление W=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 W=60,5 Ом и 0,73; 1,1 и 1,82 мм для W=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 W=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 (ε=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.