RU2392706C1

RU2392706C1 - Log-periodic antenna

Info

Publication number: RU2392706C1
Application number: RU2009103245/09A
Authority: RU
Inventors: Андрей Альбертович Елизаров (RU); Андрей Альбертович Елизаров; Владимир Борисович Белянский (RU); Владимир Борисович Белянский; Валентина Николаевна Каравашкина (RU); Валентина Николаевна Каравашкина
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: physics, radio.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering, namely: antenna-feeder equipment and can be used to receive radio signals in the shortwave range. The log-periodic antenna consists of a double wire collecting line and not less than two pairs of dipole antennae which connected to opposite wires of the collecting line successively after every other wire, where the length of the dipole antennae and the distance between them increases moving away from the beginning of the antenna in a geometrical progression, and lines running through ends of the dipole antennae form a constant angle which does not exceed 45°. To achieve the technical result, the double-wire collecting line is made in form of series-connected resonance sections of delay-line structures having anomalous dispersion and length which does not exceed λ/8, where λ is the shortest wavelength of the operating range of the antenna.

EFFECT: design of an antenna whose length does not exceed 0,6 times of the maximum operating wavelength and retention of the range of received wavelengths achieved using a full-sized antenna.

3 dwg

Description

Изобретение относится к антенно-фидерной технике и может быть использовано для приема радиосигналов в коротковолновом диапазоне частот.The invention relates to antenna-feeder technology and can be used to receive radio signals in the short-wave frequency range.

Известны синфазные горизонтальные коротковолновые антенны, содержащие решетку вибраторов, расположенных определенным образом в пространстве и возбуждаемых токами, равными между собой, либо закономерно отличающимися по амплитуде и фазе [Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, ч.II «Антенны». М.: Сов. радио, 1969. с.133-154]. Такие антенны отличаются узким рабочим диапазоном, определяемым резонансными свойствами отдельных вибраторов. При отклонении частоты от резонансной происходит изменение электрических длин вибраторов и питающих их фидерных линий, что резко искажает диаграмму направленности антенны.Known in-phase horizontal short-wave antennas containing a lattice of vibrators located in a certain way in space and excited by currents equal to each other, or naturally differing in amplitude and phase [Belotserkovsky GB Fundamentals of Radio Engineering and Antennas, Part II “Antennas”. M .: Sov. radio, 1969. p.133-154]. Such antennas have a narrow operating range, determined by the resonant properties of individual vibrators. When the frequency deviates from the resonance, the electric lengths of the vibrators and the feeder lines supplying them change, which sharply distorts the antenna pattern.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является логопериодическая антенна, образованная собирательной линией в виде двух трубок, расположенных параллельно друг другу, к которым поочередно через один крепятся плечи вибраторов [Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б. Антенны. М: Радио и связь, 1992. с.72-73]. Выполнение такой антенны с минимальными продольными размерами менее 0,6 от максимальной рабочей длины волны считается нецелесообразным, поскольку при этом снижается коэффициент усиления, ухудшается направленность излучения и согласование с питающим фидером.Closest to the proposed technical solution is a log-periodic antenna formed by a collective line in the form of two tubes located parallel to each other, to which the shoulders of the vibrators are alternately attached through one [Drabkin AL, Korenberg EB Antennas M: Radio and communication, 1992. S. 72-73]. The implementation of such an antenna with a minimum longitudinal size of less than 0.6 of the maximum operating wavelength is considered impractical, since this reduces the gain, degrades the directivity of radiation and coordination with the supply feeder.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание логопериодической антенны с длиной, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны, и сохранением диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной.The technical problem to which this invention is directed is the creation of a log-periodic antenna with a length not exceeding 0.6 of the maximum working wavelength, and maintaining the range of received wavelengths provided by a full-sized antenna.

Решение технической задачи достигается тем, что логопериодическая антенна состоит из двухпроводной собирательной линии и не менее чем двух пар симметричных вибраторов, которые поочередно через один подключены к противоположным проводам собирательной линии, причем длина вибраторов и расстояние между ними возрастают по мере удаления от начала антенны в геометрической прогрессии, а линии, проведенные через концы вибраторов, образуют постоянный угол, не превышающий 45°. Согласно предложенному изобретению двухпроводная собирательная линия выполнена в виде соединенных последовательно резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией, и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны.The solution to the technical problem is achieved by the fact that the log-periodic antenna consists of a two-wire collecting line and at least two pairs of symmetrical vibrators, which are alternately connected through one to the opposite wires of the collecting line, and the length of the vibrators and the distance between them increase with distance from the beginning of the antenna in geometric progressions, and the lines drawn through the ends of the vibrators form a constant angle not exceeding 45 °. According to the proposed invention, the two-wire collecting line is made in the form of connected in series resonant segments of slowing systems with anomalous dispersion and a length not exceeding λ / 8, where λ is the shortest wavelength of the antenna operating range.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является сохранение диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной, при ее длине, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны.The technical result achieved in the implementation of the totality of the claimed essential features is to maintain the range of received wavelengths provided by a full-sized antenna, with its length not exceeding 0.6 of the maximum working wavelength.

Предлагаемая логопериодическая антенна иллюстрируется чертежами, на которых представлены принципиальная схема антенны (фиг.1) и отрезок коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией на основе цилиндрической спирали с продольно-проводящим экраном (фиг.2). На фиг.3 представлены диаграммы направленности антенны, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2.The proposed log-periodic antenna is illustrated by drawings, which shows a schematic diagram of the antenna (Fig. 1) and a segment of a coaxial feeder line with anomalous dispersion based on a cylindrical spiral with a longitudinally conducting screen (Fig. 2). Figure 3 presents the radiation patterns of the antenna obtained using the program MMANA-GAL v1.2.

Работа логопериодической антенны осуществляется следующим образом.The log-periodic antenna is as follows.

Так как вибраторы (фиг.1) отличаются друг от друга по длине, все они резонируют на различных частотах. На некоторой частоте, являющейся резонансной для одного из вибраторов, его входное сопротивление является чисто активным, а входные сопротивления остальных вибраторов будут комплексными. При этом их реактивные составляющие будут тем большими, чем больше длина каждого отличается от резонансной длины. Таким образом, поле излучения антенны будет определяться активной областью - резонансным и ближайшими к нему двумя - тремя вибраторами. Кроме пространственной связи между вибраторами существует еще и связь при помощи двухпроводной собирательной линии. Благодаря подключению плеч соседних вибраторов к противоположным проводам собирательной линии создается дополнительный сдвиг по фазе между токами в 180°. При этом возрастание рабочей частоты приводит к резонансу в более коротком вибраторе, а ее уменьшение - к резонированию следующего более длинного вибратора.Since the vibrators (figure 1) differ from each other in length, they all resonate at different frequencies. At a frequency that is resonant for one of the vibrators, its input impedance is purely active, and the input impedances of the other vibrators will be complex. Moreover, their reactive components will be the greater, the greater the length of each differs from the resonance length. Thus, the radiation field of the antenna will be determined by the active region — the resonance region and the nearest two or three vibrators. In addition to the spatial connection between the vibrators, there is also a connection using a two-wire collecting line. By connecting the shoulders of adjacent vibrators to the opposite wires of the collecting line, an additional phase shift between the currents of 180 ° is created. In this case, an increase in the operating frequency leads to resonance in the shorter vibrator, and its decrease leads to the resonance of the next longer vibrator.

Наиболее длинная волна рабочего диапазона определяется максимально допустимыми размерами антенны. Длина вибратора, резонирующего на самой длинной волне 2l_max=λ_max/2. Самая короткая длина волны лимитируется технологической точностью выполнения вибратора вблизи точек возбуждения l_min=λ_min/4. Геометрическая длина антенны составляет от 0,6 до (2…3)λ_max.The longest wave of the operating range is determined by the maximum permissible antenna dimensions. The length of the vibrator resonating on the longest wavelength is 2l _max = λ _max / 2. The shortest wavelength is limited by the technological accuracy of the vibrator near the excitation points l _min = λ _min / 4. The geometric length of the antenna is from 0.6 to (2 ... 3) λ _max .

Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами аналитического расчета и численного моделирования с помощью программы MMANA-GAL v1.2.The ability to achieve this goal is confirmed by the results of analytical calculation and numerical simulation using the MMANA-GAL v1.2 program.

В логопериодической антенне длины вибраторов и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии (фиг.1):In the log-periodic antenna, the lengths of the vibrators and the distances between them vary exponentially (Fig. 1):

где τ - период структуры, l_i, l_i-1 - длины соседних вибраторов, d₁, d_i-1 - расстояния между ними.where τ is the period of the structure, l _i , l _i-1 are the lengths of adjacent vibrators, d ₁ , d _i-1 are the distances between them.

Угол α при вершине треугольника, образуемого линиями, проведенными через концы вибраторов, может быть определен из соотношенияThe angle α at the apex of the triangle formed by the lines drawn through the ends of the vibrators can be determined from the relation

где σ - относительное расстояние, равное отношению расстояния между парой соседних вибраторов к длине наибольшего из них. Величина этого острого угла не превышает 45°. В этом случае максимальная геометрическая длина антенныwhere σ is the relative distance equal to the ratio of the distance between a pair of neighboring vibrators to the length of the largest of them. The magnitude of this acute angle does not exceed 45 °. In this case, the maximum geometric length of the antenna

Из проведенного анализа принципа действия антенны следует, что ее длина не может быть меньше некоторого минимально допустимого значения, поскольку интенсивное однонаправленное излучение имеет место при условии равенства расстояния между вибраторами в активной области примерно четверти длины волны. Поэтому нецелесообразно использовать антенны с длиной порядка (0,25…0,3)λ_max, т.е. с углами α порядка 70-90°. У таких антенн существенно ухудшаются как направленность излучения, так и согласование с питающим фидером.From the analysis of the principle of operation of the antenna, it follows that its length cannot be less than a certain minimum acceptable value, since intense unidirectional radiation occurs when the distance between the vibrators in the active region is equal to about a quarter of the wavelength. Therefore, it is impractical to use antennas with a length of the order of (0.25 ... 0.3) λ _max , i.e. with angles α of the order of 70-90 °. For such antennas, both the directivity of the radiation and the matching with the supply feeder are significantly impaired.

Однако использование в конструкции собирательной линии антенны отрезков замедляющих систем позволяет существенно сократить ее геометрические размеры при неизменных электрических параметрах.However, the use of segments of slowing systems in the design of the antenna assembly line can significantly reduce its geometric dimensions with constant electrical parameters.

Электрическая длина каждого из отрезков собирательной линии определяется по формулеThe electrical length of each of the segments of the collective line is determined by the formula

где d - расстояние между соседними вибраторами антенны, f - рабочая частота, ν_ф - фазовая скорость волны в собирательной линии.where d is the distance between adjacent antenna vibrators, f is the operating frequency, ν _f is the phase velocity of the wave in the collective line.

Из формулы (4) следует, что в случае расширения полосы принимаемых антенной частот Δf для сохранения прежней электрической длины собирательной линии фазовую скорость волны в ней также требуется увеличивать, то есть использовать отрезки фидерной линии с аномальной дисперсией. Применение стандартных отрезков линий передачи не позволяет этого сделать, поскольку, например, отрезок коаксиальной линии не обладает дисперсией, а отрезок замедляющей системы в виде цилиндрической спирали в изотропном металлическом экране имеет нормальную положительную дисперсию, при которой фазовая скорость волны падает с ростом частоты.From formula (4) it follows that in the case of expanding the frequency band Δf received by the antenna to maintain the previous electrical length of the collective line, the phase velocity of the wave in it also needs to be increased, that is, use segments of the feeder line with anomalous dispersion. The use of standard segments of transmission lines does not allow this, because, for example, a segment of a coaxial line does not have dispersion, and a segment of a retarding system in the form of a cylindrical spiral in an isotropic metal screen has normal positive dispersion at which the phase velocity of the wave decreases with increasing frequency.

Пример конструкции коаксиальной фидерной линии с аномальной дисперсией предложен в работе [патент РФ №2339128, МПК H01P 5/02, H01P 3/08 / А.А.Елизаров, В.Н.Каравашкина, М.Д.Морозовская. Опубл. в БИ №32, 20.11.2008]. Волна в такой линии возбуждается между внутренним цилиндрическим спиральным проводником 1 и внешним проводником 2, выполненным в виде симметрично расположенных по образующим цилиндра секторов 3, чередующихся со сквозными щелями 4 (фиг.2).An example of the design of a coaxial feeder line with anomalous dispersion is proposed in the work of [RF patent No. 2339128, IPC H01P 5/02, H01P 3/08 / A.A. Elizarov, V.N. Karavashkina, M.D. Morozovskaya. Publ. in BI No. 32, 11/20/2008]. A wave in such a line is excited between the inner cylindrical spiral conductor 1 and the outer conductor 2, made in the form of sectors 3 symmetrically spaced along the generatrix of the cylinder, alternating with through slots 4 (Fig. 2).

Результаты моделирования в виде диаграмм направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях, полученные с помощью программы MMANA-GAL v1.2 для 9-элементной антенны длиной 30 м в диапазоне частот 4,05-24,05 МГц, представлены на фиг.3. Расчетный коэффициент замедления собирательной линии не более 1,5. Проведенный анализ результатов показывает, что полученные диаграммы меняются мало и являются достаточно широкими, поскольку в излучении одновременно участвует малое число вибраторов. Некоторое сужение диаграммы можно получить при увеличении периода структуры τ при неизменном угле α. Диаграмма направленности антенны сохраняет свою форму при коэффициентах замедления, не превышающих 2,0…2,5, что позволяет практически вдвое уменьшить ее геометрическую длину по сравнению с полноразмерной антенной при остающихся неизменными электрических параметрах.The simulation results in the form of radiation patterns in the horizontal and vertical planes, obtained using the MMANA-GAL v1.2 program for a 9-element antenna 30 m long in the frequency range 4.05-24.05 MHz, are presented in Fig.3. The estimated coefficient of deceleration of the collective line is not more than 1.5. The analysis of the results shows that the obtained diagrams vary little and are wide enough, since a small number of vibrators are simultaneously involved in the radiation. A certain narrowing of the diagram can be obtained by increasing the period of the structure τ at a constant angle α. The antenna radiation pattern retains its shape with deceleration coefficients not exceeding 2.0 ... 2.5, which makes it possible to almost halve its geometric length compared to a full-size antenna with electrical parameters remaining unchanged.

Таким образом, выполняя собирательную линию из соединенных последовательно резонансных отрезков замедляющих систем, обладающих аномальной дисперсией, и длиной, не превышающей λ/8, где λ - самая короткая длина волны рабочего диапазона антенны, получим возможность создания антенны с длиной, не превышающей 0,6 от максимальной рабочей длины волны, и сохранением диапазона принимаемых длин волн, обеспечиваемого полноразмерной антенной.Thus, performing a collective line of sequentially resonant segments of slowing systems with anomalous dispersion and a length not exceeding λ / 8, where λ is the shortest wavelength of the antenna’s operating range, we can create an antenna with a length not exceeding 0.6 from the maximum working wavelength, and maintaining the range of received wavelengths provided by a full-size antenna.

Claims

Log-periodic antenna with a length not exceeding 0.6 of the maximum working wavelength, consisting of a two-wire collecting line and at least two pairs of symmetrical vibrators, which are alternately connected through one to the opposite wires of the collecting line, and the length of the vibrators and the distance between them increase along the distance from the beginning of the antenna exponentially, and the lines drawn through the ends of the vibrators form a constant angle not exceeding 45 °, characterized in that the two-wire collective The line is made in the form of connected in series resonant segments of slowing systems with anomalous dispersion and a length not exceeding λ / 8, where λ is the shortest wavelength of the antenna operating range.