ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в стационарных и мобильных системах связи сантиметрового диапазона волн, в частности в качестве широкополосной приемопередающей антенны сотовой связи, а также в системах радиоконтроля, радиопеленгации и нелинейной радиолокации.
Известны логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА), содержащие ряд симметричных вибраторов, запитываемых от двухпроводной распределительной линии, плечи которых подключены к ней противофазно [1]. Известно также, что ЛПВА относятся к классу частотно-независимых антенн, для которых рабочая полоса частот принципиально не ограничена и определяется лишь размерами вибраторной структуры и технологическими возможностями изготовления. В классическом варианте выполнения ЛПВА [1, с.207 рис.4 - 19а] геометрию антенны определяют из условия реализации максимального коэффициента направленного действия (КНД) путем выбора параметров логопериодической структуры: масштабного множителя τ и пространственного множителя σ. При фиксированном значении τ существует оптимальное значение σ, при котором ЛПВА имеет наибольший КНД [2, с.5 рис.2]. Образовавшаяся для этой пары τ и σ логоперио-дическая вибраторная структура (ЛПВС) 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 КНД и можно ожидать, что характеристики такой структуры будут близки к частотно-независимым [2, с.4, 5]. Граничные частоты оптимальной ЛПВА определяют размеры крайних вибраторов и при увеличении числа вибраторов структура стремится к бесконечной, а полоса частот неограниченно увеличивается. На практике длина вибраторной структуры ограничивается заданной полосой частот и минимальным значением коэффициента усиления в полосе частот. В этом случае активная область структуры, захватывающая группу наиболее интенсивно возбуждаемых и излучающих до 90% энергии вибраторов, усекается на граничных частотах заданной полосы частот до одного резонансного вибратора. Это приводит к расширению диаграммы направленности, снижению КНД на граничных частотах и недопустимому увеличению КСВн (до уровня 2,5-3,0) на входе антенны [3, 4].
Среди известных решений наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному устройству является ЛПВА по патенту Российской Федерации №2356140 С1МПК H01Q 11/10, опубликованному 20.05.2009 г., Бюл. №14. Она содержит ряд симметричных вибраторов, запитывамых от двухпроводной распределительной линии, возбуждаемой коаксиальным фидером, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряду запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между симметричными вибраторами выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры, а симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания.
л
в
н
В ЛПВА по патенту RU2356140 C1 за счет выполнения симметричных вибраторов и двухпроводной распределительной линии в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, выбора значений волнового сопротивления W двухпроводной ленточной распределилительной линии и параметра , по предложенным соотношениям реализуется на выходе коаксиального фидера антенны значения КСВн=1,3...1,7 в широкой полосе частот с коэффициентом перекрытия частот , где f - верхняя граничная частота и f - нижняя граничная частота рабочего диапазона частот. Таким образом, данное техническое решение имеет ограничение по ширине рабочей полосы частот, определяемой по уровню КСВн=1,7, которое не позволяет судить о потенциальной широкополосности предложенной ЛПВА, а также о стабильности характеристик излучения в рабочей полосе частот.
В полезной модели решается задача изыскания конструктивных решений, позволяющих реализовать потенциальные возможности оптимальной ЛПВА по техническим характеристикам.
Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемой логопериодической вибраторной антенны, заключается в расширении рабочей полосы частот при минимальной длине вибраторной структуры, а также повышении эксплуатационной надежности за счет упрощения конструкции антенны.
ε
ст
max
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 ряду запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, отношение длин плеч соседних вибраторов выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры, а симметричные вибраторы и двухпроводная распределительная линия выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, согласно полезной модели в диэлектрическом основании у наименьшего вибратора логопериодической вибраторной структуры выполнено отверстие, внутренний проводник коаксиального фидера, проложенного вдоль одного из полосковых проводников двухпроводной распределительной линии, выведен из отверстия и подсоединен к другому полосковому проводнику двухпроводной распределительной линии, а наружный проводник коаксиального фидера подсоединен к полосковому проводнику двухпроводной распределительной линии, вдоль которого он проложен, напротив подсоединения внутреннего проводника коаксиального фидера, при этом диаметр наружного проводника коаксиального фидера выбран меньшим или равным ширине полоскового проводника двухпроводной распределительной линии, отношение толщины h диэлектрического основания к длине волны λ в двухпроводной распределительной линии выбрано удовлетворяющих условию , а отношение длины L логопериодической вибраторной структуры к максимальной длине волны λ на нижней частоте рабочего диапазона частот выбрано из соотношения .
Возможен дополнительный вариант выполнения ЛПВА, в котором целесообразно, чтобы были введены корпус, на котором посредством планки было бы закреплено со стороны наибольшего вибратора диэлектрическое основание печатной платы логопериодической вибраторной структуры, причем корпус и планка были бы выполнены из конструкционного диэлектрического материала, а в торцевой части корпуса было бы выполнено отверстие, через которое был бы выведен возбуждающий вибраторную структуру коаксиальный фидер, узел крепления антенны на опорной стойке, который был бы выполнен в виде пары винт-. гайка, установленной на корпусе со стороны выхода из логопериодической вибраторной структуры коаксиального фидера, накладки, которые расположились бы на диэлектрическом основании сверху полосковых проводников двухпроводной распределительной линии, и заглушка, которая соединялась бы с накладками у вершины логопериодической вибраторной структуры, причем накладки и заглушка были бы выполнены из радиопрозрачного диэлектрика. На фиг.1 представлено конструктивное выполнение заявленной логопериодической вибраторной антенны. На фиг.2 показана печатная плата логопериодической вибраторной структуры. На фиг.3 приведены результаты измерения КСВн на выходе коаксиального фидера экспериментальной модели антенны в диапазоне частот с перекрытием .
Логопериодическая вибраторная антенна содержит ряд симметричных вибраторов 1, присоединенных к двухпроводной распределительной линии 2 вдоль ее длины, и коаксиальный фидер 3. Вибраторы 1 и двухпроводная линия 2 выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания 4 печатной платы ЛПВС (фиг.2). Коаксиальный фидер 3 проложен вдоль одного из полосковых проводников линии 2.
В диэлектрическом основании 4 печатной платы ЛПВС (фиг.2) у наименьшего вибратора выполнено отверстие 11, внутренний проводник 6 коаксиального фидера 3 (фиг.1, вид I), проложенного вдоль одного из полосковых проводников двухпроводной распределительной линий 2, выведен из отверстия 11 и подсоединен, например путем пайки к другому полосковому проводнику линии 2 (фиг.1, вид II). Наружный проводник 5 коаксиального фидера 3 (фиг.1, вид I, II; сечение К-К) подсоединен (припаян) к полосковому проводнику линии 2, вдоль которого он проложен, напротив подсоединения внутреннего проводника 6 коаксиального фидера 3. Такое включение коаксиального фидера 3 в двухпроводную распределительную линию 2 обеспечивает выполнение условия отсечки токов в активной области ЛПВА, поскольку при этом не нарушается фазировка токов вибраторов активной области. Кроме того, улучшается симметрия вибраторной структуры по отношению к питающей ее двухпроводной линии 2, так как в точках возбуждения линии 2 (фиг.1, вид I) коаксиальным фидером 3 токи в проводниках линии равны по величине и противофазны.
n
1
n
1
1
1
r
n-1
n-1
Логопериодическая вибраторная структура (фиг.2) выполнена в виде N печатных полосковых симметричных вибраторов 1 с изменяющейся по геометрической прогрессии длиной l=l·τ и шириной S=S·τ (l, S соответственно резонансная длина и ширина наибольшего вибратора, n=1, 2...N) и двух полосковых проводников 2 одинаковой ширины “в”, образующих ленточную линию (фиг.1). Полосковые проводники ЛПВС выполнены на едином диэлектрическом основании 4 толщиной h с двух его сторон фотохимическим методом. В качестве диэлектрического основания 4 печатной платы ЛПВС используется высокочастотный диэлектрик с малыми диэлектрическими потерями, например диэлектрик типа “Флан-5” с относительной диэлектрической постоянной ε=5 и толщиной h=2,0 мм.
r
В конструкцию ЛПВА дополнительно введены корпус 7, узел крепления 12 антенны на опорной стойке, накладки 9 и заглушка 10. На корпусе 7 посредством планки 8 закреплено со стороны наибольшего вибратора диэлектрическое основание 4 печатной платы ЛПВС. Корпус 7 и планка 8 выполнены из конструкционного диэлектрического материала, например листового стеклотекстолита. На корпусе 7 со стороны выхода из ЛПВС коаксиального фидера 3 установлен узел крепления 12 антенны на опорной стойке, выполненный на в виде пары винт-гайка. В торцевой части корпуса 7 выполнено отверстие через которое выведен возбуждающий вибраторную структуру коаксиальный фидер 3. Полосковые проводники линии 2, вдоль одного из которых проложен фидер 3, закрыты накладками 9, а область вывода из отверстия 11 внутреннего проводника 6 коаксиального фидера 3 и подсоединения внешнего 5 и внутреннего 6 проводников фидера 3 к полосковым проводникам двухпроводной линии 2 закрыта заглушкой 10. Накладки 9 располагаются на диэлектрическом основании 4 вдоль полосковых проводников двухпроводной распределительной линии 2, а заглушка 10 соединяется с накладками 9 у вершины ЛПВС. Накладки 9 и заглушка 10 защищают двухпроводную линию 2 по всей длине от внешних воздействий в том числе механических. Они выполнены из радиопрозрачного диэлектрика, например из плотного пенополистерола с ε=1,2-1,4. Диаметр d наружного проводника 5 фидера 3 выбран меньшим или равным ширине «в» полоскового проводника двухпроводной линии 2. При d> в коаксиальный фидер 3 частично затеняет вибраторы 1 в области максимального значения распределения тока по вибратору. Вследствие чего уменьшается КНД антенны, увеличивается доля рассеивания мощности излучения в боковые лепестки ДН антенны. Отношение толщины h диэлектрического основания 4 к длине волны  двухпроводной распределительной линии 2 выбрано удовлетворяющим условию . При значениях  увеличивается уровень паразитного излучения двухпроводной линии 2, ухудшающий характеристики направленности антенны. Кроме того, при  обеспечивается более высокая степень коллинеарности плеч печатных с двух сторон диэлектрического основания 4 вибраторов 1, что улучшает частотные характеристики антенны.
Предлагаемая полезная модель имеет компактную конструкцию, в которой в отличие от известных выполнений ЛПВА [2. с.5; 5. с.35] несущими элементами конструкции являются диэлектрическое основание 4 и корпус 7, а узел крепления 12 антенны на опоре вынесен из области двухпроводной линии 2. Это существенно упрощает конструкцию антенны и повышает ее эксплуатационную надежность. Отсутствие традиционного защитного диэлектрического кожуха также упрощает конструкцию и уменьшает стоимость антенны.
н
в
н
в
н
в
Ранее [3, 4] было установлено, что вблизи граничных частот f и f рабочего диапазона, которые определяют размеры крайних вибраторов, происходит плавное ухудшение электрических характеристик ЛПВА, которое резко возрастает за пределами граничных частот. Это объясняется отсечкой токов в активных областях антенны, которые на граничных частотах рабочего диапазона определяются током одного резонансного вибратора. Поэтому для расширения рабочего диапазона частот ЛПВА необходимо активные области антенны продлить за крайние резонансные вибраторы как в сторону больших на f, так и в сторону меньших на f вибраторов структуры. Для этого целесообразно на f добавить в структуре к резонансному вибратору один вибратор, длина которого больше длины резонансного вибратора, а на f добавить три вибратора, длины которых меньше длины резонансного вибратора и изменяются по геометрической прогрессии в соответствии со значением параметра τ.
0
н
в
Рассмотрим в качестве исходной модели антенны ЛПВА с оптимальной для КНД=10-11 дБ геометрией (τ=0,92; σ=0,2; α=11,4), рассчитанной для работы в диапазоне частот f=1700 МГц и f=5100 МГц с коэффициентом перекрытия частот .
r
ст
н
max
в
min
max
н
в
ЛПВС антенны выполнена печатным способом на диэлектрическом основании из высокочастотного диэлектрика флан - 5×2,0 (ε=5, h=2 мм). Для перекрытия указанного диапазона частот требуется, чтобы ЛПВС антенны содержала N=21 симметричный вибратор и имела длину структуры L=215,3 мм. Экспериментальная модель антенны, результаты измерения КСВн которой в диапазоне частот с перекрытием  приведены на фиг.3, определяет рабочий диапазон антенны по уровню КСВн=1,85 с граничными частотами f=1738 МГц (λ=172,6 мм) и f=4971,85 МГц (λ=60,3 мм) и коэффициентом перекрытия частот . Для этих частот минимальная длина структуры в длинах волн λ составляет . На расчетных граничных частотах f=1700 МГц и f=5100 МГц КСВн равен соответственно 2,3 и 2,4, а за их пределами на частотах 1516,4 МГц и 5437 МГц значение КСВн возрастает до 3,0; при этом ДН в пл. Н расширяется и по полу спаду мощности составляет ; уровень заднего излучения увеличивается до - (6,5...11) дБ, а КНД уменьшается до 6 дБ.
н
в
ст
н
max
в
min
max
ст
max
r
28
28
л
пл
0
Электрическое моделирование, выполненное с использованием принципа электродинамического подобия, показало, что увеличение числа вибраторов в ЛПВС с N=21 до N=25 (один вибратор на f и три вибратора на f) увеличивает длину исходной структуры на 34,1 мм и ее длина станет равной L=215,3 мм+34,1=249,4 мм. Граничные частоты по уровню КСВн=1,85 станут следующими: f=1500 МГц (λ=200 мм), f=5757,4 МГц (λ=52,1 мм). Для этих граничных частот минимальная длина структуры в λ будет , т.е. такой же, как и для исходной экспериментальной модели ЛПВА. Однако ЛПВА с большим числом вибраторов (N=25) при небольшом увеличении длины ЛПВС имеет по сравнению с исходной моделью (N=21) существенно более широкую рабочую полосу частот. У нее коэффициент перекрытия равен , что по сравнению с исходной моделью в  раза больше. При длине структуры L=1,25λ она обеспечивает в широкой полосе рабочих частот Δf=5757,4 МГц-1500 МГц=4257,4 МГц следующие электрические характеристики: КСВн=1,3...1,85; симметричные ДН с шириной по полуспаду мощности в пл. E-, в пл. H-, уровень заднего излучения - (13...17) дБ и КНД=7,5-10 дБ. Установим предельные возможности ЛПВА по расширению рабочей полосы частот в сторону высоких частот, которые определяются возможностями технологии изготовления полосковых проводников антенны. Расчеты показывают, что оптимальная ЛПВС (τ=0,92; σ=0,2; α=11,4) при ее реализации на диэлектрическом основании из высокочастотного диэлектрика типа флан - 5×2,0 (ε=5, h=2 мм) с использованием технологии изготовления печатных плат фотохимическим методом должна иметь не более 28 вибраторов. Это условие связано с тем, что длина наименьшего (высокочастотного) вибратора l (N=28) получается равной l=6 мм. Отсюда, учитывая ширину “в” полоскового проводника двухпроводной линии для W=71,5 Ом, равную в=4,7 мм, получаем длину плеча вибратора l, выступающего над полосковым проводником линии, . Такой размер вибратора является предельным для фотохимического метода изготовления полосковых проводников. К тому же дальнейшее уменьшение длины вибратора с ростом частоты приведет к слиянию вибратора с полосковым проводником двухпроводной линии.
28
в
пр
ст
max
Вибратору длиной l=6 мм соответствует минимальная длина волны , где К=0,135 - коэффициент длины крайнего высокочастотного резонансного вибратора усеченной активной области оптимальной ЛПВА. Эта длина волны является предельной для фотохимического метода изготовления полосковых проводников ЛПВА и ей соответствует предельная частота f=9090,9 МГц. Коэффициент перекрытия для этой частоты равен , длина структуры L=249,4 мм+8,6 мм=258 мм, что в длинах волн λ равно . Таким образом, при осуществлении полезной модели используются инновационный для данного класса антенн фотохимический метод изготовления полосковых проводников антенны с двух сторон диэлектрического основания печатной платы и современные высокочастотные диэлектрики. В совокупности это позволяет реализовать широкополосные свойства ЛПВА в СВЧ диапазоне и стабилизировать характеристики излучения антенны в рабочей полосе частот.
Логопериодическая вибраторная антенна в режиме передачи работает следующим образом. Волна от передатчика по коаксиальному фидеру 3 распространяется к точкам подсоединения проводников 5 и 6 коаксиального фидера 3 к проводникам двухпроводной распределительной линии 2.
Под воздействием ЭДС, приложенной к точкам подсоединения проводников 5 и 6 к проводникам линии 2, возникают токи в проводниках двухпроводной линии 2. Токи имеют встречное направление, и поэтому двухпроводная линия 2 не излучает и не принимает электромагнитные волны. Возбужденная в двухпроводной линии 2 со стороны наименьшего вибратора 1 волна распространяется в виде ТЕМ волны, бегущей в сторону больших вибраторов 1 логопериодической структуры.
n
Антенный эффект в коаксиальном фидере 3 отсутствует, так как за счет согласования антенны с коаксиальным фидером 3 в точках возбуждения двухпроводной линии 2 в двухпроводной линии, как и в коаксиальном фидере 3, обеспечивается режим бегущей волны. При распространении бегущей волны по линии 2 она наиболее интенсивно возбуждает симметричные вибраторы 1, длины которых l близки к резонансным. Это активная область антенны, в которой симметричные вибраторы от приложенной ЭДС получают симметричный тип возбуждения, что обеспечивает осевую симметрию ДН в E и H плоскостях поляризации. При удалении от группы вибраторов активной области как в сторону больших, так и в сторону меньших длин вибраторов интенсивность возбуждения быстро спадает - происходит отсечка токов ЛПВС. Отсечка токов обеспечивается за счет переменно-фазного включения плеч симметричных вибраторов 1 в двухпроводную линию 2. Это позволяет сформировать излучение вибраторов 1 активной области с максимумом, направленным в сторону, обратную распространению бегущей в двухпроводной линии 2 волны, т.е. в сторону вершины ЛПВС. Таким образом, в ЛПВА имеет место явление автоматической отсечки токов в активной области антенны. Предложенное подсоединение коаксиального фидера 3 к проводникам двухпроводной распределительной линии 2 (фиг.1, вид I, II) не нарушает фазировку токов в плечах соседних симметричных вибраторов 1 активной области антенны и, тем самым, обеспечивается выполнение условия автоматической отсечки токов. Это позволяет расширить рабочую полосу частот при минимальной длине вибраторной структуры. Кроме того, улучшается симметрия вибраторной структуры по отношению к питающей ее двухпроводной линии, так как в точках возбуждения двухпроводной линии 2 коаксиальным фидером 3 обеспечивается в проводниках линии 2 равенство токов и их противофазность. Это исключает появление в линии 2 паразитной синфазной волны, вызывающей чрезмерное расширение ДН в пл. Н, увеличение излучения в заднее пространство, ухудшение согласования антенны с коаксиальным фидером.
При использовании предлагаемой логопериодической вибраторной антенны достигается существенное расширение рабочей полосы частот с коэффициентом перекрытия частот  как по уровню допустимого значения КСВн, так и по стабильности ДН и КНД в рабочей полосе частот при минимальной длине вибраторной структуры, определяемой соотношением .
Литература
1. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. - М. “Энергия”, 1973.
2. Яцкевич В.А. Александров B.C. Проектирование логопериодических вибраторных антенн. - Антенны, 2005, вып.7-8, с.3-12.
3. Патент RU 2189676C1,20.09.2002.
4. Патент RU 2356140C1, 20.05.2009.
5. Яцкевич В.А., Буликов Е.Н., Прахов В.Г. Широкополосная панельная антенна. - Антенны, 2006, вып.12, с.35-39.