ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ АНТЕННА ИЗ ЛИНЕЙНО-СПИРАЛЬНЫХ ВИБРАТОРОВ
LOG-PERIODIC ANTENNA MADE UP OF LINER-SPIRAL VIBRATORS

Изобретение относится к электрорадиотехнике и может быть использовано преимущественно на подвижных объектах.
Широкому использованию логопериодических вибраторных антенн (ЛПВА) KB и УКВ диапазонов на подвижных объектах мешают их большие габаритные размеры. Поэтому уменьшение размеров этих антенн - актуальная задача. Решая ее, как правило, идут по пути уменьшения размеров вибраторов тем или иным способом.
Известен способ укорочения вибраторов логопериодических вибраторных антенн путем выполнения их в виде цилиндрических спиралей [Яцкевич В.А., Самусенко А.И. Электродинамический анализ спиральных вибраторов. Изв. вузов и ССО СССР. - Радиоэлектроника, 1983, с.25-30].
Однако с укорочением диполей растет их добротность, вследствие чего уменьшается число вибраторов в активной зоне, падает усиление. Для компенсации потерь в направленности приходится увеличивать число вибраторов и продольный размер ЛПВА.
Целью изобретения является уменьшение размеров вибраторов и продольного размера ЛПВА.
л
с
Поставленная цель достигается за счет того, что в качестве элементов ЛПВА используется излучатель, в котором симметричные спиральный и линейный диполи размещены соосно и имеют общую точку возбуждения, при этом длина 2Н линейного диполя (ЛД) в два раза меньше длины 2Н провода спирального диполя (СД).
На фиг.1 показана схема линейно-спирального диполя, где
с
1 - диаметр провода спирали 2a;
c
2 - диаметр спирали 2r;
л
3 - длина линейного диполя 2Н;
с
4 - длина спирального диполя 2Н.
Измерения показали, что в отличие от линейного и спирального диполей линейно-спиральный вибратор (ЛСВ) имеет два низкоомных резонанса и соответственно две полосы пропускания, отличающиеся друг от друга по частоте в два раза. При этом диаграммы направленности на частотах полос пропускания имеют форму, близкую к тороидальной. Эти свойства ЛСВ позволяют построить ЛПВА уменьшенных размеров. Уменьшение продольного размера достигается прохождением активной зоны ЛПВА по всем ЛСВ дважды при изменении частоты.
На фиг.2 показана схема ЛПВА из линейно-спиральных вибраторов.
ЛПВА характеризуют следующие конструктивные параметры:
m
5 - длина провода спирального плеча m-го ЛСВ L;
c
6 - угол между продольной осью ЛПВА и прямой, проходящей через концы спирали ЛСВ 2α;
l
7 - угол между продольной осью ЛПВА и прямой, проходящей через концы линейных вибраторов (ЛСВ в том числе) 2α;
8 - число ЛСВ в ЛПВА m;
9 - общее число вибраторов в ЛПВА N;
c
ξ=l/Н - геометрический коэффициент укорочения спиральной части ЛСВ;
c
m
a  - радиус провода спиральной части m-го ЛВС;
л
m
a  - радиус провода m-го линейного вибратора (в том числе ЛСВ) (не показано);
c
л
m
10 - расстояние от общей вершины углов α и α до m-го вибратора R;
m+1
m
τ=R/R - коэффициент периодичности;
c
л
л
m
m+1
m
m
m+1
m
σ=(R-R)/4L; σ=(R-R)/4H , где σ - расстояние в долях волны между полуволновым и соседним, меньшим, вибратором.
т
1
11 - расстояние между первым вибратором и коротким замыканием распределительной линии L=0,5l;
12 - продольная длина полотна вибраторов L=R]-Rx.
с
л
in
r
r
ξ=1
ξ>i
Для расчета добротности ЛСВ и последующего расчета коэффициента направленного действия (КНД) и диаграммы направленности ЛПВА экспериментально были определены значения входных сопротивлений R  и реального коэффициента укорочения ξ на частотах 1-го резонанса спирального диполя в ЛСВ и СД в свободном пространстве в зависимости от значения геометрического коэффициента укорочения ξ при l/H=2 и l=const; ξ=(ξf)/f, где
ξ=1
ξ>1
f и f - частоты 1-го резонанса прямолинейного и спирального диполей.
r
Эксперимент показал, что значения ξ для СД и ЛСВ отличаются один от другого.
r
in
2
c
c
Экспериментальные зависимости ξ=f(ξ) и R =f(ξ) при ξ≤, a/L=0,001…0,015 и Ф/2L=0,02…0,06 хорошо аппроксимируются формулами для СД в свободном пространстве
для СД в составе ЛСВ
для входного сопротивления СД и ЛСВ
Известно выражение для добротности полуволнового диполя из линейных проводников
где ρ - волновое сопротивление диполя.
s
c
in
Добротность спирального диполя Q зависит от влияния коэффициента укорочения на ρ и R .
c
in
При изменении ξ от 1 до 2 R  изменяется значительно быстрее, чем волновое сопротивление, что позволяет приближенно считать ρ≈const.
Подставляя в (4) значение входного сопротивления из (3), получаем выражение для добротности СД и ЛСВ
Расчет добротности СД по (5) совпадает с результатами расчета в (2) и экспериментальными данными.
Для успешной работы ЛПВА из ЛСВ необходимо выполнить следующие условия:
m
m
л
c
л
1. L=2H , откуда 2σ=σ;
с
с
л
2. 0,05≤σ≤0,11, т.к. значения σ и σ в ЛПВА должны быть в пределах 0,05…0,22;
m
1
1
mτ
л
л
3. L>H , размер проводника m-го плеча спирали самого малого ЛСВ должна быть больше размера плеча ЛД самого большого (1-го) ЛСВ, H =1.
Использование линейно-спиральных вибраторов в логопериодической антенне позволяет сократить как длину низкочастотных вибраторов, так и продольный размер антенны, а также увеличить в 2-2,5 раза направленность в высокочастотной части диапазона. Наибольшее уменьшение продольного размера достижимо у ЛПВА с шириной рабочего диапазона около двух октав. Если за эквивалент ЛПВА из ЛД и ЛСВ принять равенство их КНД в диапазоне частот, то достижимо сокращение продольного размера в 1,8 раза. В ЛПВА из ЛСВ следует использовать разомкнутую распределительную линию, что исключит падение КБВ в середине рабочего диапазона антенны. Поставленная цель достигнута.