ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована 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 в т.ч. в антенных приемопередающих локационных устройствах.
Разработанная логопериодическая антенна может быть эффективно использована в системах фазового пеленгатора, а именно в качестве приемного облучающего элемента зеркальной антенны, входящего в состав фазового пеленгатора. Приходящий сигнал, отражаясь от параболического зеркала, фокусируется в точке расположения патентуемой логопериодической антенны. Принятый сигнал снимается с двух входов антенны и поступает на малошумящий усилитель. Усиленные сигналы поступают на приемный блок РЛС, где производится выбор для дальнейшей обработки по критерию максимального соотношения сигнал-помеха одного из двух сигналов.
Заявитель для решения конструктивной задачи создания перспективной логопериодической антенны, отличающейся:
- расширенным рабочим диапазоном частот, повышенным качеством приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот;
- увеличенной дальностью радиолокационного наблюдения и повышенной пеленгационной чувствительностью антенны;
- а также высокой надежностью обнаружения излучений проанализировал разнообразные по своей конечной реализации известные технические решения в данной области радиотехники и установил следующее.
Так, известны логопериодические вибраторные антенны, которые широко используются в системах связи дециметрового и сантиметрового диапазонов волн, в частности, в качестве широкополосной приемопередающей антенны сотовой связи, в радиопеленгации и нелинейной радиолокации (патенты США №№4492964; 5886672; патент Германии №3338444; патенты РФ №№2189676, 2356140. МПК: Н01Q 11/10).
В приведенных патентах логопериодическая антенна содержит ряд симметричных вибраторов, двухпроводную распределительную линию, возбуждаемую коаксиальным фидером. Запатентованные конструктивные решения различаются схемотехникой подключения симметричных вибраторов, вариацией отношением длин плеч соседних вибраторов и отношением расстояний между симметричными вибраторами. Как правило, в указанных патентах симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания.
Технический результат указанных запатентованных логопериодических антенн заключается в снижении коэффициента стоячей волны в коаксиальном фидере в широкой полосе частот.
Общим характерным недостатком запатентованных решений является пониженное качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот, а также низкая надежность обнаружения излучений, обусловленная неэффективным согласованием антенны с коаксиальным фидером.
Известна широкополосная антенна, содержащая двухпроводную линию питания и структуру логопериодических вибраторов (А.С. СССР №248010; МПК: Н01Q 9/24).
Широкополостная антенна по А.С. №248010 позволяет уменьшить габариты антенны и сузить диаграмму направленности. Недостатком данной антенны является то, что она не обеспечивает электронного управления поляризацией излучаемого сигнала.
Известна также логопериодическая антенна (А.С. СССР №1660088; МПК: Н01Q 11/10), содержащая две взаимно ортогональные структуры симметричных логопериодических вибраторов, плоскости которых ортогональны и наклонены относительно горизонта на угол 45°, подключенные к двум парам симметричным двухпроводным линиям питания, и изоляторы.
Данная антенна позволяет обеспечить работу с полем вращающейся поляризацией с коэффициентом не ниже 0,4. Недостатком настоящей антенны является то, что она не обеспечивает электронного управления поляризацией излучаемого сигнала, имеет пониженное качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот, а также низкую надежность обнаружения излучений, которая обусловлена неэффективным согласованием антенны с коаксиальным фидером.
Из уровня техники известна логопериодическая антенна (патент РФ №62740 на полезную модель; МПК: Н01Q 11/10), наиболее близкая по технической сущности к патентуемой полезной модели и выбранная в качестве прототипа.
λ
λ
λ
λ
Логопериодическая антенна, реализованная по патенту РФ №62740, содержит две взаимно ортогональные логопериодические структуры симметричных вибраторов, плоскости которых ортогональны и наклонены относительно горизонта на угол 45° и подключены к двум парам симметричных двухпроводных линий питания. Вибраторы подвешены к граням металлической ферменной конструкции в виде усеченной равносторонней пирамиды, причем грани и опора разделены диэлектрическими вставками на отрезки, длины которых выбраны с переменным шагом от 0,1min до 0,1max, где min и max - границы рабочего диапазона частот. Параллельно земле установлена ось пирамиды, вдоль которой на передней и задней опорах параллельно крепятся две двухпроводные линии питания от двух усилителей мощности. Запатентованная конструкция используется в антенных приемопередающих локационных устройствах.
Существенным недостатком логопериодической антенны (патент РФ №62740) является низкое качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот; низкая надежность обнаружения излучений, обусловленная не эффективным согласованием антенны с коаксиальным фидером; невысокая дальность радиолокационного наблюдения и низкая пеленгационная чувствительность антенны.
Патентуемая полезная модель решает техническую задачу:
- обеспечения повышенного качества приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот, а также повышения надежности обнаружения излучений за счет улучшения согласования антенны с коаксиальным фидером;
- обеспечения работы логопериодической антенны с двумя линейными ортогональными поляризациями в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 16.
Технический эффект достигается благодаря использованию в качестве линии питания широкополосного симметричного полоскового трансформатора, обеспечивающего согласование волнового сопротивления антенны со стандартным 50-омным коаксиальным кабелем, а также, благодаря использованию широкополосного согласующего устройства, соединяющего коаксиальный кабель, идущий от входного разъема антенны, с симметричным полосковым трансформатором.
Поставленная техническая задача решается следующим образом.
В логопериодической антенне, аналогичной конструкции, приведенной в патенте РФ №62740 на полезную модель, содержащей четыре попарно ортогональные ветви с усами симметричных вибраторов, плоскости которых наклонены относительно горизонта и подключены к симметричной линии питания симметричных вибраторов, согласно патентуемой полезной модели:
- для защиты от природных осадков и атмосферных воздействий логопериодическая антенна смонтирована в защитном радиопрозрачном кожухе,
-две попарно ортогональные ветви с усами вибраторов ориентированы зеркально относительно друг друга;
- для связи зеркально ориентированных друг к другу ветвей с усами вибраторов каждая попарно ортогональная ветвь снабжена соединительным проводником;
- а для крепления ветвей с усами вибраторов антенна содержит диэлектрический изолятор, расположенный в верхней части ортогональных ветвей вибраторов;
- при этом линия питания попарно ортогональных ветвей с усами вибраторов выполнена в виде симметричной трансформаторной полосковой линии, расположенной непосредственно на ветви с усами вибраторов;
- для согласования симметричной полосковой трансформаторной линии с входным коаксиальным разъемом логопериодическая антенна содержит согласующее устройство, смонтированное между симметричной трансформаторной полосковой линией и отрезком полужесткого коаксиального кабеля, который соединен с входным разъемом.
Патентуемая полезная модель предусматривает, что две попарно ортогональные ветви с усами вибраторов зеркально ориентированые относительно друг друга наклонены на угол от 85 до 89 градусов относительно горизонта. При этом, количество усов вибраторов на одной ветви составляет от 20 до 50.
Согласно патентуемой полезной модели, согласующее устройство с воздушным заполнением выполнено в виде корпуса согласующего устройства, в полости которого смонтирована цилиндрическая насадка.
Предусмотрено, что защитный радиопрозрачный кожух выполнен в форме конуса со скругленной вершиной, при этом внешняя поверхность радиопрозрачного кожуха покрыта тонким слоем влагостойкой радипрозрачной краски.
Таким образом, реализация в патентуемой полезной модели новых конструктивных и схемотехнических решений обеспечивает разработанной логопериодической антенне качественно новые рабочие характеристики и улучшенные эксплуатационные параметры. При этом, патентуемая логопериодическая антенна позволяет получить следующий технический результат:
- кардинально повысить качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот;
- обеспечить высокую надежность обнаружения излучений за счет улучшения согласования антенны с коаксиальным фидером, повысить к.п.д. фидерной системы;
- повысить дальность радиолокационного наблюдения;
- повысить пеленгационную чувствительность антенны;
- существенно увеличить коэффициент передачи сигнала через коаксиальный фидер, за счет снижения коэффициента отражения антенны;
Сущность разработанной логопериодической антенны поясняется примером конструктивной реализации антенны и графическими материалами, на которых представлены:
Фиг.1 - блок-схема конструкции логопериодической антенны;
Фиг.2 - вид сверху (без радиопрозрачного кожуха);
Фиг.3 - ветвь с усами вибраторов;
Фиг.4 - фрагмент диэлектрического изолятора с двумя ветвями с усами вибраторов;
Фиг.5 - линия питания в виде полоскового трансформатора сопротивлений;
Фиг.6 - линия питания и коаксиально- микрополосковый переход.
Патентуемая логопериодическая антенна содержит (фиг.1) радиопрозрачный кожух 1, две (попарно ортогональные) ветви 2 с усами вибраторов 3, которые пространственно ориентированы зеркально относительно друг друга.
Две попарно ортогональные ветви 2 (фиг.2, 4) наклонены относительно друг друга на угол 85-89 градусов относительно горизонта.
Для связи зеркально пространственно ориентированных друг к другу ветвей 2 с усами вибраторов 3 (фиг.4) каждая попарно ортогональная ветвь 2 снабжена соединительным проводником 4; а для крепления ветвей 2 с усами вибраторов антенна содержит диэлектрический изолятор 5, расположенный в верхней (оконечной) части антенны (фиг.2).
Линия питания попарно ортогональных ветвей 2 с усами вибраторов 3 выполнена в виде симметричной полосковой трансформаторной линии 6 (фиг.3, 5, 6), расположенной непосредственно на ветви 2 с усами вибраторов 3.
Для согласования полосковой трансформаторной линии 6 с входным коаксиальным разъемом 7 (фиг.1, 3, 6) логопериодическая антенна содержит согласующее устройство 8 с воздушным заполнением и отрезок полужесткого коаксиального кабеля 9. Коаксиальный кабель 9 соединен с входным разъемом 7, который вмонтирован в основание 10. Длина коаксиального кабеля 9 определяется при сборки излучателя и должна быть минимально возможной.
В качестве полужесткого коаксиального кабеля 9 может быть использован, например, полужесткий кабель марки РК50-3-29, а в качестве входного разъема 7, например, типовой входной разъем марки 24_SMA-50-3-15/111_NH.
Согласующее устройство 8 состоит из корпуса 11 согласующего устройства и цилиндрической насадки 12. Корпус 11 согласующего устройства 8 выполняет роль экрана электромагнитных волн. Цилиндрическая насадка 12 обеспечивает электромагнитное согласование коаксиального кабеля 9 и полоскового трансформатора сопротивлений 6.
Все конструктивные элементы логопериодической антенны смонтированы на основании 10.
Излучающая конструкция.
Ветвь 2 с усами вибраторов 3 (фиг.1, 3) является основной составной частью разработанной логопериодической антенны. В патентуемой полезной модели излучающая конструкция состоит из четырех попарно зеркальных ветвей 2 с усами вибраторов 3.
Количество усов вибраторов 3 на одной ветви 2 составляет от 3 до 50 усов. Например, на каждой ветви 2 выполнено по 40 усов.
Ветвь 2 с усами вибраторов 3 изготавливают из цельного листа металла, например, толщиной 0.35 мм.
Соединение симметричной полосковой трансформаторной линии питания 6 и заглушки 13, которая выполняет роль симметрирующего устройства, осуществляют с помощью соединительного металлического проводника 4 прямоугольного сечения (фиг.4). Стыковку соединительного металлического проводника 4 и симметричной полосковой трансформаторной линии питания 6 производят конструктивно следующим образом: при сборке симметричной полосковой трансформаторной линии питания 6 верхняя плата делается короче нижней, например, на 3 мм, что позволяет обеспечить доступ к симметричной полосковой трансформаторной линии питания 6.
Геометрия диэлектрического изолятора.
Диэлектрический изолятор 5, конструктивно реализован в форме «звездочки» (фиг.2), выполняет двоякую роль в конструкции логопериодической - антенны. Во-первых, диэлектрический изолятор 5 поддерживает остовы ветвей 2 на верхнем конце антенны, не позволяя им замкнуться друг на друга, во-вторых, внутри «звездочки», через предварительно проделанные отверстия (фиг.4) проходит соединительный проводник 4 на противоположную ветвь антенны.
Диэлектрический изолятор 5 может быть изготовлен, например, из кругляка копролона, или ему подобного материала, без металлизации.
Линия питания ветвей вибраторов
Симметричная полосковая трансформаторная линия 6 представляет собой линию питания вибраторов (фиг.5), которая состоит из двух пластин диэлектрика разной длины, на одной из которых выполнен полосок. Пластины склеены между собой и металлизированы с торцов, кроме входной и выходной плоскости. Металлизация боковых сторон пластин выполняется следующим образом: на одной из пластин выполнется полосок, а с другой стороны этой же пластины металлизация частично освобождается от диэлектрика. Вторая, более короткая пластина, с одной стороны полностью очищена от металлизации. Эта пластина клеится на первую. Затем на полосок припаивается соединительный проводник, после чего он закрывается диэлектрической платой, металлизированной с одной стороны. Свободная от металлизации сторона приклеивается к диэлектрику нижней платы. Затем на боковые плоскости получившейся конструкции наклеивается металлическая фольга, края которой запаиваются на металлизацию симметричной полосковой трансформаторной линии 6 (фиг 4). В качестве материала подложки может быть использован, например, материал duroid 5880 с 6=2.2. Толщина материала 0.508 мм (стандартная панель). В разработанной антенне реализован линейный закон изменения сопротивления. Поэтому закон изменения ширины полоска имеет экспоненциальный вид. Ширина полоска в точке соединения с согласующим устройством 8 рассчитывается так, чтобы его сопротивление составляло 50 Ом. Ширина другого конца полоска рассчитывается из условия согласования с антенной, т.е. чтобы сопротивление полоска составило примерно 100 Ом.
Радиопрозрачный защитный кожух 1.
Разработанная логопериодическая антенна для исключения повреждений от несанкционированных механических воздействий и от воздействия внешней среды смонтирована в радиопрозрачном защитном кожухе 1, который выполнен в форме конуса со скругленной вершиной.
Радиопрозрачный кожух 1 может иметь различные габаритные размеры, которые определяются, исходя из конечного размера логопериодической антенны. Так, в частности, внешний диаметр основания радиопрозрачного кожуха 1 может быть выполнен размером (примерно) 210 мм, толщина стенки кожуха ~5±0,25 мм. В качестве материала кожуха используют, например, пенопласт типа ПС-250, ПС-300. Внешняя поверхность радиопрозрачного-кожуха 1 покрыта тонким слоем влагостойкой радиопрозрачной краски.
Логопериодическая антенна работает следующим образом.
Электромагнитная энергия, подводимая линиями питания 6 от усилителей мощности, работающих от общего возбудителя (на фиг. не показан), возбуждает логопериодические структуры симметричных вибраторов 2 (ветви 2 с усами вибраторов 3).
Электромагнитная энергия, подводимая через один из двух входных разъемов 7, по полужесткому коаксиальному кабелю 9 через согласующее устройство 8 поступает на симметричную полосковую трансформаторную линию 6. Корпус согласующего устройства 11, экранирующий электромагнитную энергию, и цилиндрическая насадка 12 выполняют роль переходного каскада, а именно повышает коэффициент передачи энергии в широком диапазоне частот между двумя различными линиями связи. Подводимая линиями питания 6 энергия с помощью соединительного проводника 4 возбуждает две взаимно противоположные ветви 2 с усами вибраторов 3. Для увеличения эффективности излучения применяются симметрирующие устойства (заглушки 13).
Диэлектрический изолятор 5 предотвращает гальванический контакт верхних частей ветвей 2 друг с другом, а также защищает от несанкционированного механического воздействия соединительные проводники 4.
Благодаря применению симметричной полосковой транс4)орматорной линии 6 и согласующего устройства 8 достигается уменьшение коэффициента отражения, что позволяет патентуемому изделию фиксировать более слабые сигналы. Данная особенность дает возможность снизить требования к чувствительности приемного устройства, работающего в составе РЛС. Предлагаемая конструкция ветвей 2 с усами вибраторов 3, а также симметричной полосковой трансформаторной линии 6 и согласующего устройства 8 позволяет увеличить коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот до 16, что дает возможность применять в качестве зондирующих импульсов широкополосные сигналы.
Патентуемая логопериодическая антенна прошла успешные испытания, которые подтвердили на практике, что разработанная полезная модель обеспечивает в реальном масштабе времени повышенный уровень эксплуатационных характеристик.
Испытания патентуемой логопериодической антенны проводились при следующих климатических условиях:
- рабочая температура окружающей среды от -40°С до +40°С;
- предельная температура окружающей среды от -50°С до +50°С;
- относительная влажность воздуха от 40 до 90% при +20°С и атмосферном давлении от 8,4х104 до 10,7х104 Па (от 630 до 800 мм рт.ст.);
Результаты испытаний позволяют констатировать, что патентуемая логопериодическая антенна позволяет:
- обеспечить работу логопериодической антенны с двумя линейными ортогональными поляризациями в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия не менее 16;
- кардинально повысить качество приема и передачи радиосигналов в широкой полосе частот;
- обеспечить высокую надежность обнаружения излучений за счет улучшения согласования антенны с коаксиальным фидером, повысить к.п.д. фидерной системы;
- существенно увеличить коэффициент передачи сигнала через коаксиальный фидер, за счет снижения коэффициента отражения антенны;
- повысить дальность радиолокационного наблюдения и пеленгационную чувствительность антенны.