RU2571607C1 - Microstrip log-periodic antenna - Google Patents

Microstrip log-periodic antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2571607C1
RU2571607C1 RU2014129990/08A RU2014129990A RU2571607C1 RU 2571607 C1 RU2571607 C1 RU 2571607C1 RU 2014129990/08 A RU2014129990/08 A RU 2014129990/08A RU 2014129990 A RU2014129990 A RU 2014129990A RU 2571607 C1 RU2571607 C1 RU 2571607C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
feeder
vibrator
distribution feeder
antenna
vibrators
Prior art date
Application number
RU2014129990/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елена Вячеславовна Волхонская
Евгений Владимирович Коротей
Дмитрий Владимирович Кужекин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский государственный технический университет"
Priority to RU2014129990/08A priority Critical patent/RU2571607C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2571607C1 publication Critical patent/RU2571607C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: compared to existing antennae, the present antenna has a width of a symmetrical distribution feeder at dipole connection points selected using the relationship bn=b0·τ2.6(H-n-1), where n=0…N-1, where n=0 corresponds to the longest dipole and n=N-1 corresponds to the shortest dipole. The width of the symmetrical distribution feeder at the connection point of the shortest dipole b0 is selected such that wave impedance of the symmetrical distribution feeder Wl is equal to the wave impedance of an exciting coaxial feeder Wf. The equivalent radius of stripline dipoles is selected using the relationship an=a0·τ2.5n, wherein the equivalent radius of the longest dipole α0 is selected equal to half the maximum width of the symmetrical distribution feeder b0.
EFFECT: high quality of receiving and transmitting radio signals in the centimetre wavelength range, reducing the standing-wave ratio in the exciting coaxial feeder to 1,1-1,7 in the entire operating frequency range at higher antenna gain values ranging from 9,4 to 12,7 dB.
9 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве широкополосного облучателя зеркальных антенн при организации спутниковой связи и радиомониторинга С диапазона.The invention relates to antenna technology and can be used as a broadband irradiator of mirror antennas in the organization of satellite communications and C-band radio monitoring.

Уровень техники.The level of technology.

Известные логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА) состоят из системы параллельных вибраторов, расположенных в одной плоскости, противофазно возбуждаемых симметричным распределительным фидером, начиная с самого короткого вибратора. Длины вибраторов и расстояния между ними изменяются в геометрической прогрессии со знаменателем τ - периодом структуры. Междурядный коэффициент σ представляет собой относительное расстояние между соседними вибраторами [1]. Каждому периоду структуры τ соответствует определенный междурядный коэффициент σ, при котором достигается максимальное усиление. Оптимальные значения а лежат в пределах от 0,12 до 0,19 [2].Known log-periodic vibrator antennas (LHLA) consist of a system of parallel vibrators located in the same plane, antiphase excited by a symmetrical distribution feeder, starting with the shortest vibrator. The lengths of the vibrators and the distances between them vary exponentially with the denominator τ, the period of the structure. The row-spacing coefficient σ represents the relative distance between adjacent vibrators [1]. Each period of the structure τ corresponds to a certain inter-row coefficient σ, at which maximum gain is achieved. The optimal values of a lie in the range from 0.12 to 0.19 [2].

К недостаткам данных антенн относится то, что выбор оптимального междурядного коэффициента при периоде структуры близком к единице приводит, с одной стороны, к росту коэффициента направленного действия (КНД), а с другой стороны, к увеличению значений коэффициента стоячей волны (КСВ) в возбуждающем коаксиальном фидере.The disadvantages of these antennas include the fact that the choice of the optimal inter-row coefficient with a period of structure close to unity leads, on the one hand, to an increase in the coefficient of directional action (KND), and on the other hand, to an increase in the coefficient of the standing wave (SWR) in the exciting coaxial feeder.

В существующих вариантах исполнения логопериодических антенн приемлемых значений КСВ (менее 1,8) добиваются одним из следующих способов. Так в работе [2, с. 344] для согласования логопериодической вибраторной антенны с коаксиальным кабелем в диапазонах ультракоротких (УКВ) и дециметровых (ДМВ) волн используют короткозамкнутый шлейф длиной менее, λmax/8, присоединяемый к точкам питания самого длинного вибратора, а в коротковолновом (KB) диапазоне - перемычку.In existing versions of log-periodic antennas, acceptable SWR values (less than 1.8) are achieved using one of the following methods. So in [2, p. 344] to match the log-periodic vibrating antenna with a coaxial cable in the ultra-short (VHF) and decimeter (UHF) wavelength ranges, use a short-circuited loop less than, λ max / 8, connected to the power points of the longest vibrator, and in the short-wave (KB) range - a jumper .

Недостаток таких вариантов антенн заключается в том, что при дальнейшем увеличении частоты и переходе к сантиметровому диапазону (СМВ) длин волн этого становится недостаточно, поскольку перемычка начинает играть роль неоднородности, которая может оказать существенное влияние на характеристики антенны. Поэтому в работе [3] предложено дополнительно продлить распределительный фидер за самый короткий вибратор на расстояние 0,06λmin. Эта мера позволяет несколько снизить значение КСВ до 1,5-1,7 в узком диапазоне частот. Авторы статьи [4] предлагают иной способ согласования, заключающийся в использовании симметричной полосковой линии, являющейся одновременно и линией питания, и трансформатором сопротивления.The disadvantage of such antenna options is that with a further increase in the frequency and transition to the centimeter range (SMW) wavelengths this becomes insufficient, since the jumper begins to play the role of heterogeneity, which can have a significant impact on the characteristics of the antenna. Therefore, in [3], it was proposed to additionally extend the distribution feeder for the shortest vibrator by a distance of 0.06λ min . This measure allows you to slightly reduce the value of the SWR to 1.5-1.7 in a narrow frequency range. The authors of [4] propose a different matching method, which consists in using a symmetrical strip line, which is both a power line and a resistance transformer.

Среди известных решений наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является логопериодическая вибраторная антенна по патенту Российской Федерации №2356140 C1, МПК H01Q 11/10, опубликованному 20.05.2009, бюллетень №14 [5]. Данный патент был выбран авторами в качестве прототипа.Among the known solutions, the closest in technical essence to the claimed device is a log-periodic vibrator antenna according to the patent of the Russian Federation No. 2356140 C1, IPC H01Q 11/10, published on 05/20/2009, Bulletin No. 14 [5]. This patent was selected by the authors as a prototype.

Антенна содержит ряд симметричных вибраторов, запитываемых от симметричного распределительного фидера, являющегося нагрузкой для возбуждающего коаксиального фидера, при этом каждый последующий симметричный вибратор в антенне запитан противофазно предшествующему, а отношение длин плеч соседних вибраторов и отношение расстояний между ними выбраны по соотношениям образования оптимальной логопериодической вибраторной структуры. Симметричные вибраторы и симметричный распределительный фидер выполнены в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон диэлектрического основания, причем отношение волнового сопротивления симметричного распределительного фидера Wл к волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера Wф выбрано из соотношений

Figure 00000001
при условии, что Wф=50 Ом, или
Figure 00000002
при условии, что Wф=75 Ом, а отношение длины ln плеча n-го симметричного вибратора логопериодической структуры к эквивалентному радиусу полоскового проводника вибратора an выбрано удовлетворяющим условию
Figure 00000003
, где n=1…N.The antenna contains a number of symmetric vibrators, powered by a symmetrical distribution feeder, which is the load for the exciting coaxial feeder, with each subsequent symmetric vibrator in the antenna powered opposite to the previous one, and the ratio of the shoulder lengths of adjacent vibrators and the ratio of the distances between them are selected according to the formation ratios of the optimal log-periodic vibrator . Symmetric vibrators and a symmetrical distribution feeder are made in the form of strip conductors located on both sides of the dielectric base, and the ratio of the wave resistance of the symmetric distribution feeder W l to the wave resistance of the exciting coaxial feeder W f is selected from the relations
Figure 00000001
provided that W f = 50 Ohms, or
Figure 00000002
provided that W f = 75 Ohms, and the ratio of the length l n of the shoulder of the n-th symmetric vibrator of log-periodic structure to the equivalent radius of the strip conductor of the vibrator a n is chosen to satisfy the condition
Figure 00000003
where n = 1 ... N.

Данное техническое решение имеет ограничение, заключающееся в том, что авторами патента для обеспечения значений КСВ возбуждающем коаксиальном фидере 1,3-1,7 в диапазоне рабочих частот с коэффициентом перекрытия больше 2 при достижении значений КНД в нижнем и верхнем пределах 6-7,5 дБ и 10-11,5 дБ соответственно предлагается выбирать строго определенные значения пары параметров τ и σ, оптимизированные под два из возможных стандартных значений волнового сопротивления возбуждающего коаксиального фидера Wф=50 Ом Wф=75 Ом. Кроме того, значения активной и реактивной составляющих входного сопротивления антенны не являются постоянными, а колеблются с достаточно большой амплитудой в пределах рабочего диапазона частот [5]. В качестве недостатка данного технического результата следует отметить то, что оптимизационная процедура направлена лишь на снижение КСВ без существенного увеличения КНД антенны.This technical solution has a limitation in that the authors of the patent provide the SWR values of the excitation coaxial feeder of 1.3-1.7 in the operating frequency range with an overlap coefficient of more than 2 when reaching the LPC values in the lower and upper limits of 6-7.5 dB and 10-11.5 dB, respectively, it is proposed to choose strictly defined values of the parameter pair τ and σ, optimized for two of the possible standard values of the wave impedance of the exciting coaxial feeder W f = 50 Ohms W f = 75 Ohms. In addition, the values of the active and reactive components of the input resistance of the antenna are not constant, but oscillate with a sufficiently large amplitude within the operating frequency range [5]. As a disadvantage of this technical result, it should be noted that the optimization procedure is aimed only at reducing the SWR without a significant increase in the antenna gain.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью заявляемого технического решения является повышение качества приема и передачи радиосигналов в сантиметровом диапазоне длин волн (в С диапазоне) за счет улучшения согласования антенны с возбуждающим коаксиальным фидером и существенного увеличения КНД антенны.The purpose of the proposed technical solution is to improve the quality of reception and transmission of radio signals in the centimeter wavelength range (in the C range) by improving the matching of the antenna with the exciting coaxial feeder and a significant increase in the antenna gain.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой логопериодической вибраторной антенне, содержащей ряд симметричных вибраторов, отношение длин плеч и расстояний между которыми выбраны по соотношениям оптимальной логопериодической структуры, запитываемых от симметричного распределительного фидера, ширина которого в точках присоединения вибраторов определяется выражением bn=b0·τ2,6(N-n~1), где n=0…N-1, причем n=0 соответствует самому длинному вибратору, а n=N-1 - самому короткому. Ширина симметричного распределительного фидера в месте подключения самого короткого вибратора выбиралась таким образом, чтобы волновое сопротивление данного фидера равнялось волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера. Расчет ширины симметричного распределительного фидера производился в соответствии с выражением [6]:This goal is achieved by the fact that in the proposed log-periodic vibrator antenna containing a number of symmetrical vibrators, the ratio of the shoulder lengths and the distances between them are selected by the ratios of the optimal log-periodic structure, fed from a symmetric distribution feeder, the width of which at the points of connection of the vibrators is determined by the expression b n = b 0 · Τ2.6 (Nn ~ 1) , where n = 0 ... N-1, with n = 0 corresponding to the longest vibrator, and n = N-1 to the shortest one. The width of the symmetrical distribution feeder at the connection point of the shortest vibrator was chosen so that the wave resistance of this feeder was equal to the wave resistance of the exciting coaxial feeder. The calculation of the width of the symmetric distribution feeder was carried out in accordance with the expression [6]:

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- эффективное значение диэлектрической проницаемости, а h - толщина диэлектрической пластины, ε - относительная диэлектрическая проницаемость (для выбранного в качестве диэлектрика материала подложки ФЛАН-2,8 ε=2,9, тангенс угла диэлектрических потерь tg(δ)=1,5·10-3 и h=1,95 мм). Симметричный распределительный фидер и симметричные вибраторы выполнены фотохимическим (печатным) методом в виде полосковых проводников, расположенных с двух сторон от диэлектрического основания, причем эквивалентный радиус полосковых вибраторов определяется выражением an=a0·τ2,5n. Максимальное значение эквивалентного радиуса выбиралось из условия a0=0,5b0. Антенна питается возбуждающим коаксиальным фидером с волновым сопротивлением Wф=50 Ом.Where
Figure 00000005
is the effective value of the dielectric constant, and h is the thickness of the dielectric plate, ε is the relative dielectric constant (for the FLAN-2.8 substrate material chosen as the dielectric, ε = 2.9, dielectric loss tangent tg (δ) = 1.5 10 -3 and h = 1.95 mm). The symmetric distribution feeder and symmetric vibrators are made by the photochemical (printed) method in the form of strip conductors located on both sides of the dielectric base, and the equivalent radius of the strip vibrators is determined by the expression a n = a 0 · τ 2.5n . The maximum value of the equivalent radius was selected from the condition a 0 = 0.5b 0 . The antenna is powered by an exciting coaxial feeder with wave impedance W f = 50 Ohms.

На фиг. 1 изображены три проекции конструкции заявленной логопериодической вибраторной антенны.In FIG. 1 shows three projections of the design of the claimed log-periodic vibrator antenna.

На фиг. 2 изображен вид микрополосковой печатной платы логопериодической антенны.In FIG. 2 shows a view of a microstrip printed circuit board of a log periodic antenna.

На фиг. 3 приведены геометрические размеры элементов логопериодической антенны.In FIG. 3 shows the geometric dimensions of the elements of the log-periodic antenna.

Логопериодическая вибраторная антенна (см. фиг. 1) содержит ряд симметричных вибраторов 1, присоединенных к симметричному распределительному фидеру 2, которые выполнены в виде полосковых проводников с двух сторон диэлектрического основания 3. Возбуждающий коаксиальный фидер 4 проложен по одному из проводников симметричного распределительного фидера 2. Оплетка 5 возбуждающего коаксиального фидера 4 имеет контакт с одним из проводников симметричного распределительного фидера 2 в месте подключения наименьшего из вибраторов, а центральная жила 6 возбуждающего коаксиального фидера 4 имеет контакт с противоположным проводником симметричного распределительного фидера 2. Со стороны наибольшего из вибраторов проводники симметричного распределительного фидера 2 соединены между собой короткозамкнутым шлейфом 7.Log-periodic vibrator antenna (see Fig. 1) contains a number of symmetrical vibrators 1 connected to a symmetrical distribution feeder 2, which are made in the form of strip conductors on both sides of the dielectric base 3. An excitation coaxial feeder 4 is laid along one of the conductors of the symmetric distribution feeder 2. The braid 5 of the exciting coaxial feeder 4 is in contact with one of the conductors of the symmetrical distribution feeder 2 at the connection point of the smallest of the vibrators, and the central silt 6 of the exciting coaxial feeder 4 is in contact with the opposite conductor of the symmetrical distribution feeder 2. On the side of the largest of the vibrators, the conductors of the symmetric distribution feeder 2 are connected by a short-circuit loop 7.

Принцип действия такой антенны состоит в следующем. К антенне по симметричному распределительному фидеру подводится электрический сигнал с частотой fn, n=0…Ν-1, являющейся резонансной для n-го вибратора. Вибраторы, расположенные в начале антенны и короткие в сравнении с резонирующим, а также расположенные в конце антенны и длинные в сравнении с резонирующим, практически не излучают, так как токи, ответвляющиеся в них, малы по амплитуде в силу большой величины реактивной составляющей входного сопротивления вибраторов.The principle of operation of such an antenna is as follows. An electric signal with a frequency f n , n = 0 ... Ν-1, which is resonant for the nth vibrator, is supplied to the antenna through a symmetric distribution feeder. Vibrators located at the beginning of the antenna and short in comparison with the resonating, as well as located at the end of the antenna and long in comparison with the resonating, practically do not emit, since the currents branching into them are small in amplitude due to the large value of the reactive component of the input resistance of the vibrators .

Резонирующий n-й вибратор антенны возбуждается волной напряжения в симметричном распределительном фидере наиболее интенсивно, так как величина реактивной составляющей его входного сопротивления минимальна, а само входное сопротивление носит практически активный характер. По обе стороны от резонирующего вибратора расположены вибраторы, выполняющие роль директоров и рефлекторов, амплитуды токов в которых соизмеримы с амплитудой тока в резонирующем вибраторе ввиду наличия небольшой по величине реактивной составляющей их входного сопротивления. Таким образом, существует так называемая активная область антенны, в составе которой, как правило, присутствует от трех до пяти вибраторов.The resonant n-th antenna vibrator is excited most intensively by the voltage wave in the symmetric distribution feeder, since the magnitude of the reactive component of its input resistance is minimal, and the input resistance itself is practically active. On both sides of the resonating vibrator there are vibrators acting as directors and reflectors, the current amplitudes in which are comparable with the current amplitude in the resonating vibrator due to the small reactive component of their input resistance. Thus, there is a so-called active region of the antenna, in the composition of which, as a rule, from three to five vibrators are present.

При изменении рабочей частоты в сторону уменьшения, начинает резонировать следующий более длинный вибратор по отношению к ранее рассмотренному случаю и активная область перемещается вдоль антенны к ее концу. Напротив, при увеличении частоты активная область смещается к вершине антенны [7]. Для согласования антенны с возбуждающим коаксиальным фидером и стабилизации КСВ в заданных пределах 1,1-1,7, а также для обеспечения заданного значения КНД проведена оптимизация геометрии полосковых вибраторов и симметричного распределительного фидера, которая осуществлялась при заданных периоде структуры τ и соответствующем ему оптимальном значении междурядного коэффициента σ.When the operating frequency changes in the direction of decreasing, the next longer vibrator begins to resonate with respect to the previously considered case and the active region moves along the antenna to its end. On the contrary, with increasing frequency, the active region shifts to the top of the antenna [7]. To coordinate the antenna with the exciting coaxial feeder and stabilize the SWR within the specified limits of 1.1-1.7, as well as to provide the specified value of the directivity gain, we optimized the geometry of the strip vibrators and the symmetric distribution feeder, which was carried out at a given period of the structure τ and the corresponding optimal value inter-row coefficient σ.

Анализ существующих электродинамических моделей ЛПВА показал, что в известных оптимальных структурах предполагается, что вибратор как элемент антенны является бесконечно тонким и идеально проводящим электрический ток; амплитудное распределение тока носит синусоидальный характер вдоль симметричного вибратора; комплексные эквивалентные входные сопротивления отдельных вибраторов представлены суммой комплексного собственного сопротивления вибратора и комплексного вносимого сопротивления со стороны других вибраторов системы, учитывающего взаимную электромагнитную связь между ними; все элементы многовибраторной антенны питаются от отдельных фидерных линий и согласованы с ними [1, с. 341], или распределительный фидер согласован с резонирующим элементом и двумя соседними с ним, а влияние остальных элементов не учитывается [1, с. 19].Analysis of existing electrodynamic models of LPVA showed that in the known optimal structures it is assumed that the vibrator as an element of the antenna is infinitely thin and ideally conducting electric current; the amplitude distribution of the current is sinusoidal along a symmetrical vibrator; the complex equivalent input impedances of individual vibrators are represented by the sum of the complex intrinsic resistance of the vibrator and the complex introduced resistance from the other vibrators of the system, taking into account the mutual electromagnetic coupling between them; all elements of a multivibrator antenna are fed from individual feeder lines and are consistent with them [1, p. 341], or the distribution feeder is matched with the resonating element and two neighboring elements, and the influence of the remaining elements is not taken into account [1, p. 19].

Данные допущения не позволяют произвести точную оценку ширины активной области антенны, наведенной мощности излучения всеми вибраторами на рассматриваемый элемент, а также направленных свойств ЛПВА таких, как ширина диаграммы направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления (КУ) и относительный уровень боковых лепестков (УБЛ).These assumptions do not allow an accurate estimate of the width of the active region of the antenna, the induced radiation power of all vibrators on the element under consideration, as well as the directional properties of the VLBF such as the width of the radiation pattern (LW), directional coefficient (KND), gain (KU) and relative level of side lobes (UBL).

Известно, что питание ЛПВА осуществляется одним распределительным фидером, а отдельные элементы антенны являются нагрузками, включаемыми в его различные сечения. При этом комплексные эквивалентные входные сопротивления излучателей сложным образом зависят от частоты из-за наличия электромагнитной связи между ними и не являются комплексно сопряженными величинами входному сопротивлению фидера в рассматриваемых сечениях. В работе [8] предложена методика расчета амплитудно-фазовых распределений токов вдоль ЛПВА, в которой производится учет влияния распределительного фидера и величины сопротивления омических потерь элементов. В статье [9] произведен учет влияния распределительного фидера на характеристики излучения ЛПВА и представлена математическая модель поля излучения и поляризационных свойств ЛПВА в дальней зоне.It is known that the LPVA is supplied by one distribution feeder, and individual antenna elements are loads included in its various sections. Moreover, the complex equivalent input resistances of the emitters in a complex way depend on the frequency due to the presence of electromagnetic coupling between them and are not complex conjugate values of the input resistance of the feeder in the sections under consideration. In [8], a method was proposed for calculating the amplitude-phase current distributions along the LPVA, in which the influence of the distribution feeder and the resistance value of the ohmic loss of the elements are taken into account. In [9], the influence of the distribution feeder on the characteristics of the LPAA radiation is taken into account and a mathematical model of the radiation field and the polarization properties of the LPAA in the far zone is presented.

В предложенной авторами методике расчета клеммных токов вибраторов, согласно методу наведенных ЭДС, клеммный ток i-го вибратора определяется выражением:In the method proposed by the authors for calculating the terminal currents of the vibrators, according to the induced EMF method, the terminal current of the i-th vibrator is determined by the expression:

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- элементы матрицы, обратной по отношению к матрице собственных и взаимных сопротивлений вибраторов с учетом омических потерь,
Figure 00000008
- комплексная амплитуда клеммного напряжения i-го вибратора.Where
Figure 00000007
- elements of the matrix inverse to the matrix of intrinsic and mutual resistances of the vibrators, taking into account ohmic losses,
Figure 00000008
- the complex amplitude of the terminal voltage of the i-th vibrator.

Клеммные напряжения определяются рекуррентным соотношением вида:Terminal voltages are determined by a recurrence relation of the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

где i=0…(N-2),

Figure 00000010
- комплексная амплитуда напряжения на входе симметричного распределительного фидера, Zвхi - комплексное входное сопротивление i-го вибратора с учетом влияния симметричного распределительного фидера, γ=α+jβ - комплексный коэффициент распространения волны в симметричном распределительном фидере, α - коэффициент затухания в симметричном распределительном фидере, β - коэффициент фазы в симметричном распределительном фидере, Si-1 - расстояние между i-ым и (i-1)-ым вибраторами. Входящее в данное рекуррентное соотношение комплексное входное сопротивление Zвхi определяется выражением видаwhere i = 0 ... (N-2),
Figure 00000010
is the complex voltage amplitude at the input of the symmetric distribution feeder, Z Вi is the complex input resistance of the i-th vibrator taking into account the influence of the symmetrical distribution feeder, γ = α + jβ is the complex wave propagation coefficient in the symmetric distribution feeder, α is the attenuation coefficient in the symmetric distribution feeder , β is the phase coefficient in the symmetric distribution feeder, S i-1 is the distance between the i-th and (i-1) -th vibrators. Included in this recurrence relation, the complex input impedance Z Vxi is determined by an expression of the form

Figure 00000011
Figure 00000011

где

Figure 00000012
- комплексное входное сопротивление i-го вибратора с учетом его электромагнитной связи с другими вибраторами антенны, а
Figure 00000013
- комплексное входное сопротивление сечения симметричного распределительного фидера в месте подключения i-го вибратора.Where
Figure 00000012
- the complex input resistance of the i-th vibrator, taking into account its electromagnetic coupling with other antenna vibrators, and
Figure 00000013
- complex input impedance of the cross section of the symmetric distribution feeder at the connection point of the i-th vibrator.

Комплексное входное сопротивление i-го вибратора

Figure 00000014
задано выражением видаIntegrated input impedance of the i-th vibrator
Figure 00000014
given by an expression of the form

Figure 00000015
Figure 00000015

где Zij - элементы матрицы собственных и взаимных сопротивлений вибраторов, а комплексное входное сопротивление сечения симметричного распределительного фидера определяется рекуррентным соотношением видаwhere Z ij are the elements of the matrix of intrinsic and mutual resistances of the vibrators, and the complex input impedance of the cross section of the symmetric distribution feeder is determined by a recurrence relation of the form

Figure 00000016
Figure 00000016

Математическая модель поля излучения ЛПВА в дальней зоне представляет собой сумму комплексных амплитуд напряженностей электрического поля от всех элементов антенны в предположении бесконечной малости радиуса элемента ЛПВА, малости зазора между клеммами и соосности плеч элемента.The mathematical model of the LPAA radiation field in the far zone is the sum of the complex amplitudes of the electric field strengths from all antenna elements under the assumption that the radius of the LPAA element is infinitesimal, the gap between the terminals is small and the element’s shoulders are aligned.

Комплексная амплитуда напряженности электрического поля отдельного элемента ЛПВА определяется выражением вида [10]:The complex amplitude of the electric field of an individual LPVA element is determined by an expression of the form [10]:

Figure 00000017
Figure 00000017

где (θ, φ) - сферические координаты,

Figure 00000018
, r - расстояние от клемм самого длинного элемента до клемм i-го элемента, R - расстояние от клемм самого длинного элемента до точки наблюдения, а комплексная амплитуда напряженности электрического поля ЛПВА в дальней зоне:where (θ, φ) are the spherical coordinates,
Figure 00000018
, r is the distance from the terminals of the longest element to the terminals of the i-th element, R is the distance from the terminals of the longest element to the observation point, and the complex amplitude of the LPVA electric field in the far zone:

Figure 00000019
Figure 00000019

Коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения может быть рассчитан в соответствии с выражением вида:The antenna gain in the direction of maximum radiation can be calculated in accordance with an expression of the form:

Figure 00000020
Figure 00000020

где Еmax - максимальное значение амплитуды напряженности электрического поля антенны.where E max - the maximum value of the amplitude of the electric field of the antenna.

Поляризационная диаграмма и коэффициент эллиптичности антенны определяются выражениями вида:The polarization diagram and the ellipticity coefficient of the antenna are determined by expressions of the form:

Figure 00000021
Figure 00000021

Figure 00000022
Figure 00000022

Данная электродинамическая модель была положена в основу модельных исследований направленных и поляризационных свойств, а также электрических характеристик патентуемой антенны в среде MathCAD, результаты которых представлены на фиг. 4-9. Анализ полученных результатов показал, что форма диаграммы направленности остается практически неизменной во всем рабочем диапазоне частот и происходит некоторое увеличение ширины ДН при увеличении рабочей частоты (см. фиг. 4-5). Поляризационная диаграмма представляет собой правильную восьмерку, а поляризационная характеристика - прямую во всем диапазоне частот, что свидетельствует о линейном характере поляризации излучаемой антенной волны (см. фиг. 6). Значения коэффициента усиления заключены в диапазоне от 9,4 до 12,7 и в среднем спадают с ростом рабочей частоты (см. фиг. 7).This electrodynamic model was the basis for model studies of directional and polarization properties, as well as the electrical characteristics of a patented antenna in a MathCAD environment, the results of which are presented in FIG. 4-9. An analysis of the results showed that the shape of the radiation pattern remains virtually unchanged in the entire operating frequency range and there is a slight increase in the width of the beam with an increase in the operating frequency (see Fig. 4-5). The polarization diagram is a regular figure eight, and the polarization characteristic is straight in the entire frequency range, which indicates the linear nature of the polarization of the radiated antenna wave (see Fig. 6). The gain values are in the range from 9.4 to 12.7 and on average decrease with increasing operating frequency (see Fig. 7).

Анализ частотной зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления ЛПВА (фиг. 8) позволяет сделать вывод о том, что обе составляющие остаются практически неизменными во всем рабочем диапазоне частот, причем активная составляющая совершает незначительные колебания вокруг значения 50 Ом, соответствующего волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера, а реактивная составляющая носит емкостной характер со средним абсолютным значением 10 Ом. Наличие небольшой реактивной составляющей входного сопротивления ЛПВА говорит о небольшом рассогласовании антенны с возбуждающим коаксиальным фидером. Значения КСВ также остаются стабильными и лежат в заявленных пределах от 1,1 до 1,7 (см. фиг. 9). Таким образом, заявленная конфигурация ЛПВА позволяет достигнуть значений коэффициента усиления 9,4-12,7 дБ при значениях КСВ от 1,1 до 1,7.Analysis of the frequency dependence of the active and reactive components of the input resistance of the LPVA (Fig. 8) allows us to conclude that both components remain almost unchanged in the entire operating frequency range, and the active component makes small fluctuations around a value of 50 Ohms, corresponding to the wave resistance of the exciting coaxial feeder and the reactive component is capacitive in nature with an average absolute value of 10 ohms. The presence of a small reactive component of the input resistance of the LPVA indicates a small mismatch of the antenna with the exciting coaxial feeder. The values of the SWR also remain stable and lie in the declared range from 1.1 to 1.7 (see Fig. 9). Thus, the claimed configuration of the LPVA allows reaching gain values of 9.4-12.7 dB with SWR values from 1.1 to 1.7.

Техническим результатом является снижение коэффициента стоячей волны (КСВ) в возбуждающем коаксиальном фидере до значений 1,1-1,7 во всем рабочем диапазоне частот при достижимом уровне коэффициента усиления антенны от 9,4 до 12,7 дБ.The technical result is to reduce the standing wave coefficient (SWR) in the exciting coaxial feeder to values of 1.1-1.7 in the entire operating frequency range with an achievable level of antenna gain from 9.4 to 12.7 dB.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫLIST OF USED LITERATURE

1. Петров Б.М., Костромин Г.И., Горемыкин Е.В. Логопериодические вибраторные антенны: Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 239 с.1. Petrov B.M., Kostromin G.I., Goremykin E.V. Log-periodic vibratory antennas: a textbook for universities. - M .: Hot line - Telecom, 2005 .-- 239 p.

2. Ротхаммель К. Энциклопедия антенн. Том 1, 2. Издание 11 исправл. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 812 с.2. Rothammel K. Encyclopedia of antennas. Volume 1, 2. Edition 11 rev. - M.: DMK Press, 2011 .-- 812 p.

3. Яцкевич В.Α., Александров В.С. Проектирование логопериодических вибраторных антенн // Антенны, Вып. 7-8, 2005. - с. 3-12.3. Yatskevich V.Α., Alexandrov V.S. Design of log-periodic vibrator antennas // Antennas, Vol. 7-8, 2005 .-- p. 3-12.

4. Бондарев В., Каленов Р. Согласование логопериодической антенны в широком диапазоне частот // Современная электроника, №2, 2012. - с. 52-56.4. Bondarev V., Kalenov R. Coordination of a log-periodic antenna in a wide frequency range // Modern Electronics, No. 2, 2012. - p. 52-56.

5. Патент Российской Федерации №2356140 C1, МПК H01Q 11/10, опубликован 20.05.2009, бюллетень №14.5. Patent of the Russian Federation No. 2356140 C1, IPC H01Q 11/10, published May 20, 2009, Bulletin No. 14.

6. Проектирование полосковых устройств СВЧ: учебное пособие. - Ульяновск: Ульяновский государственный технический университет, 2001. - 129 с.6. Design of microwave strip devices: a training manual. - Ulyanovsk: Ulyanovsk State Technical University, 2001. - 129 p.

7. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.Α., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - 351 с.7. Kocherzhevsky G.N., Erokhin G.Α., Kozyrev N.D. Antenna-feeder devices: Textbook for universities. - M .: Radio and communications, 1989 .-- 351 p.

8. Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Кужекин Д.В. Расчет электрических параметров многоэлементной антенны с учетом взаимодействия элементов посредством фидерной линии. Журнал Радиотехника №2, 2013 г. Территориально-распределенные системы охраны (журнал в журнале «Радиосистемы») - с. 103-106].8. Volkhonskaya E.V., Korotey E.V., Kuzhekin D.V. Calculation of the electrical parameters of a multi-element antenna taking into account the interaction of elements through a feeder line. Journal of Radio Engineering No. 2, 2013. Geographically-distributed security systems (magazine in the journal "Radio Systems") - p. 103-106].

9. Волхонская Е.В., Коротей Е.В., Кужекин Д.В. Сравнительный анализ направленных свойств ЛПВА стандарта GSM-900 по результатам модельного и натурного экспериментов. Журнал Радиотехника №2, 2014 г. Территориально-распределенные системы охраны (журнал в журнале «Радиосистемы») - с. 95-98.9. Volkhonskaya E.V., Korotey E.V., Kuzhekin D.V. Comparative analysis of the directed properties of LPVA of the GSM-900 standard according to the results of model and full-scale experiments. Journal of Radio Engineering No. 2, 2014. Geographically distributed security systems (magazine in the journal "Radio Systems") - p. 95-98.

10. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник для студентов радиотехнических специальностей вузов. - М.: Энергия, 1975. - 528 с.10. Markov G.T., Sazonov D.M. Antennas: A textbook for students of radio engineering majors. - M .: Energy, 1975 .-- 528 p.

Claims (1)

Логопериодическая вибраторная антенна, содержащая ряд симметричных вибраторов, выполненных в виде тонких прямоугольных металлических проводников на поверхности диэлектрического основания, отношение длин плеч и расстояний между которыми выбраны по соотношениям оптимальной логопериодической структуры, противофазно запитываемых от симметричного распределительного фидера, образованного двумя плоскими проводниками, расположенными по обе стороны от диэлектрического основания, запитываемая от возбуждающего коаксиального фидера, присоединенного в месте подключения самого короткого вибратора, причем к клеммам самого длинного вибратора присоединен короткозамкнутый шлейф длиной λmax/8, отличающаяся тем, что ширина симметричного распределительного фидера в точках присоединения вибраторов выбрана из соотношения bn=b0·τ2,6(N-n-1), где n=0…N-1 и n=0 соответствует самому длинному вибратору, а n=N-1 - самому короткому, ширина симметричного распределительного фидера в месте подключения самого короткого вибратора b0 выбрана таким образом, чтобы волновое сопротивление симметричного распределительного фидера Wл равнялось волновому сопротивлению возбуждающего коаксиального фидера Wф, а эквивалентный радиус полосковых вибраторов выбран из соотношения a n=a 0·τ2,5n, причем эквивалентный радиус самого длинного вибратора a 0 выбран равным половине максимальной ширины симметричного распределительного фидера b0. A log-periodic vibrator antenna containing a series of symmetrical vibrators made in the form of thin rectangular metal conductors on the surface of the dielectric base, the ratio of the lengths of the arms and the distances between them is selected according to the ratios of the optimal log-periodic structure, which are in phase fed from the symmetric distribution feeder formed by two flat conductors located on both side of the dielectric base, powered by an exciting coaxial feeder, with Connections at the connection point of the shortest of the vibrator, wherein the terminals of the longest vibrator attached shorted stub length λ max / 8, characterized in that the width of the distribution feeder symmetrical dipoles at the points of attachment selected ratio b n = b 0 · τ 2,6 (Nn -1) , where n = 0 ... N-1 and n = 0 corresponds to the longest vibrator, and n = N-1 to the shortest one, the width of the symmetrical distribution feeder at the connection point of the shortest vibrator b 0 is chosen so that the wave impedance symmetric p of the distribution feeder W l was equal to the wave impedance of the exciting coaxial feeder W f , and the equivalent radius of the strip vibrators was selected from the relation a n = a 0 · τ 2.5n , and the equivalent radius of the longest vibrator a 0 was chosen equal to half the maximum width of the symmetrical distribution feeder b 0 .
RU2014129990/08A 2014-07-21 2014-07-21 Microstrip log-periodic antenna RU2571607C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129990/08A RU2571607C1 (en) 2014-07-21 2014-07-21 Microstrip log-periodic antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014129990/08A RU2571607C1 (en) 2014-07-21 2014-07-21 Microstrip log-periodic antenna

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2571607C1 true RU2571607C1 (en) 2015-12-20

Family

ID=54871416

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014129990/08A RU2571607C1 (en) 2014-07-21 2014-07-21 Microstrip log-periodic antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2571607C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663264C2 (en) * 2017-01-17 2018-08-03 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Ultrabroadband log-periodic antenna

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492964A (en) * 1981-10-09 1985-01-08 Gte Products Corporation Groundplane mounted log-periodic antenna
RU2253926C1 (en) * 2003-12-03 2005-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "ЛОКУС НТЦ" Logo-periodical antenna
RU94066U1 (en) * 2009-12-21 2010-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации LOGOPERIODIC VIBRATOR ANTENNA
RU128789U1 (en) * 2012-11-28 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" LOGOPERIODIC ANTENNA

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4492964A (en) * 1981-10-09 1985-01-08 Gte Products Corporation Groundplane mounted log-periodic antenna
RU2253926C1 (en) * 2003-12-03 2005-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "ЛОКУС НТЦ" Logo-periodical antenna
RU94066U1 (en) * 2009-12-21 2010-05-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации LOGOPERIODIC VIBRATOR ANTENNA
RU128789U1 (en) * 2012-11-28 2013-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" LOGOPERIODIC ANTENNA

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2663264C2 (en) * 2017-01-17 2018-08-03 Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики" Ultrabroadband log-periodic antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Investigation of using high impedance surfaces for wide-angle scanning arrays
US7724200B2 (en) Antenna device, array antenna, multi-sector antenna, high-frequency wave transceiver
Xia et al. Wideband wide-scanning phased array with connected backed cavities and parasitic striplines
Nayak et al. Design and simulation of compact UWB Bow-tie antenna with reduced end-fire reflections for GPR applications
RU2571607C1 (en) Microstrip log-periodic antenna
Tong et al. 77 GHz center-fed differential microstrip antenna array
Khaleghi et al. Impulse radiating log-periodic dipole array antenna using time-reversal technique
Patel et al. Design and analysis of microstrip patch antenna array using different substrates for X-band applications
Sun et al. A 6–18 GHz log-periodic monopole end-fire antenna based on microstrip-to-slotline transition
Lasser et al. A spiral antenna for amplitude-only direction finding
Colak et al. SLL suppressed monopulse microstrip antenna design
RU2356140C1 (en) Log-periodic vibrator antenna
Tran et al. A novel Chebyshev series fed linear array with high gain and low sidelobe level for WLAN outdoor systems
RU2655724C2 (en) Log-periodic dipole array
Naydenko et al. Vivaldi coplanar-antipodal antennas
Bilgic et al. High gain, wideband aperture coupled microstrip antenna design based on gain-bandwidth product analysis
Berdnik et al. Yagi-Uda combined radiating structures of centimeter and millimeter wave bands
Helander et al. Multi-port element for grating lobe suppression in sparse VHF phased array radars
Bharath et al. Design and analysis of H shaped microstrip antenna with different feed position and number of slots for multiband applications
RU2752288C2 (en) Dual-band emitter for antenna array
Dinesh et al. A super-directive two-element parasitic dipole antenna
Mustafa et al. Design, development and testing of dielectric tapered rod feed for parabolic reflector antenna as an alternate to feed horns
Zhang et al. The synthesis of a longitudinal slot array on a rectangular waveguide
Murali et al. Size reduction of Yagi-Uda Antenna by altering the diameter and spacing between the elements
RU124516U1 (en) Fragment of a multi-element controlled strip of a phased antenna array L RANGE

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20160526

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180722