Сверхширокополосная комбинированная логопериодическая антенна
ULTRA-BROADBAND COMBINED LOG-PERIODIC ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве сверхшироколосной измерительной антенны для измерения антенн и анализа электромагнитной совместимости устройств радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.
В настоящее время является актуальной задача создания компактных направленных антенн для измерения плотности потока излучения и создания электромагнитного поля в широкой полосе частот в интересах исследования электромагнитной совместимости устройств РЭА и измерений параметров новых типов антенн в условиях производства. Для сокращения номенклатуры измерительных антенн есть устойчивая тенденция расширения диапазона рабочих частот у измерительных антенн и антенн для формирования электромагнитного поля в широкой полосе частот при одновременном сокращении массы и габаритов таких антенн.
Уровень техники
Известны комбинированные логопериодические вибраторные антенны, содержащие ряд симметричных вибраторов и широкополосные дипольные элементы, подключенные различными способами к двухпроводной собирательной линии. Известна логопериодическая комбинированная антенна, пат. РФ №2427946, (МПК H01Q 11/10, опубл. 27.08.2011).
Указанное устройство-прототип содержит дипольные элементы симметричного вибратора для расширения полосы рабочих частот вниз по частоте, причем, в расширяемой части рабочего диапазона диаграмма направленности прототипа в горизонтальной плоскости имеет значительный уровень задних лепестков, что затрудняет ее использование в качестве измерительной. Значение коэффициент стоячей волны (КСВ) даже при наличии широкополосного согласования подвержено значительному влиянию комплексного сопротивления симметричного вибратора, которое значительно меняется по частоте и затрудняет оптимальное согласование с собирательной линией. Устройство-прототип (Пат. РФ №2427946, МПК H01Q 11/10, опубл. 27.08.2011) обеспечивает прием излучений в диапазоне 24-5000 МГц и имеет значительные участки диапазона со значением КСВ выше 3 как раз в частотной области работы широкополосных дипольных элементов, что затрудняет использование таких антенн в качестве измерительных и также как элемента полеобразующих систем, где они являются передающими.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является расширение рабочего диапазона частот, снижение коэффициента стоячей волны (КСВ) (улучшение согласования с фидером) в нижней части рабочего диапазона частот с одновременным сохранением однонаправленной диаграммы направленности при сокращении массогабаритных характеристик.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения (Пат. РФ №2427946, МПК H01Q 11/10, опубл. 27.08.2011) вместо дипольных элементов используется петлевой элемент, включенный в собирательную линию логопериодической структуры. Петлевой элемент квадратной или прямоугольной формы работает в режиме бегущей волны за счет включения в разрыв его проводника нагрузки в виде активного сопротивления. Место включения активного сопротивления в разрыв проводника петлевого элемента противоположно месту соединения петлевого элемента через ВЧ трансформатор с собирательной линией логопериодической структуры. Входной импеданс петлевого элемента трансформирован в импеданс собирательной линии ВЧ трансформатором. Физический смысл работы логопериодической структуры совместно с петлевым элементом объясняется сходными процессами, протекающими в этих элементах. Вибраторы логопериодической структуры возбуждаются противофазно с помощью собирательной линии, начиная с самого короткого вибратора, при этом наиболее интенсивно возбуждается группа вибраторов, длина которых близка к частоте возбуждения. При достижении минимальной рабочей частоты логопериодической структуры, когда частоты возбуждения становятся меньше резонансной частоты максимального по длине вибратора, высокочастотные токи начинают течь через петлевой элемент, так как он имеет меньшее сопротивление высокочастотным токам на этих частотах, чем логопериодическая структура. За счет поддержания режима бегущей волны в петлевом элементе и соотношения длин сторон петлевого элемента возникает возможность формирования кардиоидой диаграммы направленности в нижней части рабочего диапазона антенны. При этом максимум излучения логопериодической структуры и петлевого элемента совпадают по направлению и направлены вдоль оси логопериодической структуры в сторону более коротких вибраторов.
Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот в верхней части рабочего диапазона, снижение коэффициента стоячей волны (улучшение согласования с фидером) в нижней части рабочего диапазона частот с одновременным сохранением однонаправленной диаграммы направленности при сокращении массогабаритных характеристик.
Логопериодическая структура выполнена печатным способом на диэлектрике и представляет собой микрополосковую логопериодическую антенну (1), (фиг. 1 и 2). Полотно логопериодической антенны состоит из двухпроводной собирательной микрополосковой линии и набора симметричных вибраторов, выполненных на высокочастотном диэлектрическом материале электрохимическим способом травления. Микрополоски двухпроводной собирательной линии находятся по обе стороны диэлектрика. Симметричные вибраторы, выполненные в виде полос металла на диэлектрике, имеют электрический контакт с собирательной линией поочередно для обеспечения сдвига фазы тока в 180 градусов по отношению к предыдущему по размеру вибратору, подключенному к тому же проводнику собирательной линии. Размеры симметричных вибраторов и расстояние между ними выбраны в соответствии с принципом логарифмической периодичности. Отношение длин соседних вибраторов связано с масштабным множителем - периодом логопериодической структуры, период логопериодической структуры для удержания значения коэффициента стоячей волны менее трех выбирается в пределах 0,8-0,9. В конце собирательной линии, в точках включения максимальных по длине вибраторов, включен ВЧ трансформатор (2), (фиг. 1 и 2), который осуществляет трансформацию импеданса собирательной линии в импеданс петлевого элемента (3), (фиг. 1 и 2), который нагружен на активное сопротивление (5), (фиг. 1 и 2). При этом, для сохранения поочередной смены фазы на вибраторах в 180 градусов, необходимой для возбуждения логопериодической структуры, петлевой элемент (3), (фиг. 1 и 2), подключается к ВЧ трансформатору (2), (фиг. 1 и 2), с фазовым сдвигом в 180 градусов, относительно максимального по размерам вибратора логопериодической структуры, подключенного к собирательной линии. Фидер (6), (фиг. 1 и 2), питающий собирательную линию, проходит без электрического контакта с петлевым элементом и соединяется оплеткой с проводником собирательной микрополосковой линии в точке соединения собирательной линии и трансформатора (2), (фиг. 1 и 2), а центральная жила соединяется с проводником собирательной микрополосковой линии на противоположной стороне диэлектрика в точке включения минимального по размеру вибратора логопериодической структуры к собирательной микрополосковой линии. По всей длине проводника собирательной микрополосковой линии фидер электрически соединен электрически оплеткой фидера с микрополоском для обеспечения симметрирования антенны в верхнем участке рабочего диапазона. Для исключения влияния фидера на петлевой элемент на фидер вблизи выходного разъема и нагрузочного активного сопротивления установлен набор ферритовых трубок длиной 100 мм (4), (фиг. 1 и 2), выполняющий роль фильтра для токов, текущих по оплетке фидера.
Описание чертежей
На фиг. 1 показан эскиз схемы электрической с указанием элементов сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны в соответствии с заявляемым изобретением.
На фиг. 2 представлен эскиз с указанием элементов конструкции сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны.
На фиг. 3 и фиг. 4 приведены данные КСВ сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны в диапазоне работы антенны 25-1000 МГц и 25-6000МГц соответственно.
На фиг. 5 представлено фото макета сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны в корпусе из пенополистирола ПС-200.
В таблице на фиг. 6 и фиг. 7 приведены диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, снятые с помощью стенда при полигонных измерениях макета сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны.
Графики на фиг. 8 и фиг. 9 содержат информацию о коэффициенте калибровки сверхширокополосной комбинированной логопериодической антенны, измеренной методом замещения в диапазоне работы антенны 25-1000 МГц и 25-6000МГц соответственно.
Осуществление изобретения
Целью заявляемого технического решения является расширение рабочего диапазона частот, снижение коэффициента стоячей волны (улучшение согласования с фидером) в нижней части рабочего диапазона частот с одновременным сохранением однонаправленной диаграммы направленности при сокращении массогабаритных
Поставленная цель достигается тем, что вместо дипольных элементов симметричного вибратора, используемых для расширения полосы вниз в устройстве-прототипе (Пат. РФ №2427946, МПК H01Q 11/10, опубл. 27.08.2011), в данном решении используется нагруженный сопротивлением петлевой элемент квадратной или прямоугольной формы с соотношением сторон в пределах от 1:1 до 2:3, выполненный из медного или алюминиевого проводника диаметром в пределах от 2 до 5 мм. Сопротивление нагрузки петлевого элемента находится в пределах от 300 до 400 Ом. Периметр петлевого элемент составляет 0,1…0,15 длины волны минимальной частоты рабочего диапазона антенны. Коэффициент трансформации сопротивления ВЧ трансформатора имеет соотношение к четырем (1:4), при этом высокоомная обмотка электрически подключена к петлевому элементу, а низкоомная к собирательной микрополосковой линии. Для исключения влияния фидера на петлевой элемент, на фидер установлен набор ферритовых трубок общей длиной 100 мм со значением магнитной проницаемости в пределах 2000-4000.
Перечисленные существенные признаки: петлевой элемент, нагруженный активным сопротивлением и подключенный к собирательной линии логопериодической структуры, и ВЧ трансформатор, согласующий импеданс нагруженного активным сопротивлением петлевого элемента и собирательной линии, позволяет достичь цели изобретения - расширить диапазон рабочих частот, как при одновременном сохранении однонаправленной диаграммы направленности, так и с сохранением КСВ менее 3 во всем рабочем диапазоне 25-6000 МГц при уменьшении массогабаритных характеристик логопериодической комбинированной антенны по сравнению с прототипом.
Графики КСВН, представленные на фиг. 3 и фиг. 4 позволяют сделать вывод о хорошем уровне согласования логопериодической структуры и нагруженного активным сопротивлением петлевого элемента, а КСВ в рабочем диапазоне частот не превышает значение 3, с учетом значения погрешности измерения КСВ векторным анализатором цепей равным 0,1. Диаграммы направленности, представленные в виде таблицы на фиг. 6 и 7 свидетельствуют об однонаправленной диаграмме направленности антенны в горизонтальной плоскости. Данные графиков на фиг. 8 и 9 подтверждают возможность использования данной антенны в качестве измерительной, ввиду небольшого относительного изменения коэффициента калибровки в рабочем диапазоне частот антенны.