SU1730707A1 - Активна логопериодическа антенна - Google Patents

Abstract

Использование: антенна  техника дл  широкополосных радиосистем, Сущность изобретени : в активной логопериодиче- ской антенне, содержащей несимметричные вибраторы, подключенные к усилител м, и несимметричную собирательную линию, выход каждого усилител  присоединен к собирательной линии через фильтр нижних частот и направленный ответвитель. Длины направленных ответвителей пропорциональны рассто ни м между соответствующими осесимметричными вибраторами, а их коэффициенты св зи равны 0,2-0,4. Верхн   гранична  частота каждого фильтра нижних частот равна частоте, на которой длина соответствующего направленного ответви- тел  равна четверти длины волны. Достигнуто расширение рабочей полосы частот и повышение помехоустойчивости. 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к антенной технике и может быть использовано в качестве приемной антенны в широкополосных радиосистемах дл  диапазонов волн от декамет- рового до сантиметрового включительно.

Известен несимметричный вибратор в виде металлического стержн , расположенного ортогонально металлическому экрану. К вибратору подключен коаксиальный кабель , согласованный на другом конце с приемником , Недостатком несимметричного вибратора  вл етс  узка  полоса частот ввиду сильной частотной зависимости его входного сопротивлени .

Известен активный вибратор, состо щий из короткого несимметричного вибратора , подключенного к входу широкополосного усилител . Усилитель нагружен на кабель, согласованный с выходом усилител  на одном конце приемника и с входом приемника на другом конце. Активный вибратор обеспечивает посто нство величины сигнала на входе приемника в широкой полосе частот при падении на вибратор электромагнитной волны фиксированной амплитуды. Широкополосные свойства активного вибратора достигаютс  за счет ши- рокополосности усилител : посто нства его коэффициента усилени  и высокого входного сопротивлени  в широкой полосе частот. Кроме того, активный вибратор имеет малую высоту и малый антенный эффект фидера . Недостатком активного вибратора  вл етс  слаба  направленность: диаграмма направленности (ДН) така  же, как у электрически короткого вибратора.

Известна логопериодическа  антенна (ЛПА), состо ща  из несимметричных вибраторов над металлическим экраном, образующих линейную решетку, причем размеры вибраторов и рассто ни  между ними подчин ютс  закону геометрической прогрессии, а вибраторы подключены к несимметричной линии передачи, один конец

XI

OJ

о XI о XI

которой  вл етс  входом антенны, а другой нагружен на реактивную или согласованную нагрузку. Рабоча  полоса частот Л ПА теоретически неограничена и определ етс  лишь размерами крайних вибраторов, а в пределах рабочей полосы частот антенна имеет частотно-независимые характеристики .ЛПА формирует ДН с максимумом, ориентированным в сторону входа антенны. Недостатком известной ЛПА  вл етс  слаба  направленность: ширина луча в горизонтальной плоскости 120-140°. Причиной слабой направленности  вл етс  то, что на любой частоте излучает только часть антен- ны-активна  область, причем амплитудно- фазовое распределение (АФР) на вибраторах в активной области не  вл етс  оптимальным. Кроме того, известна  ЛПА имеет большую высоту вибраторов (длина наибольшего вибратора равна 0,25Атах), что усложн ет ее конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности к данной  вл етс  активна  ЛПА, состо ща  из одинаковых несимметричных вибраторов, образующих линейную решетку , усилителей, к входам которых подключены вибраторы, и собирательной линии в виде несимметричной пр молинейной линии передачи воздушного типа, один конец которой  вл етс  входом антенны, а другой нагружен на согласованную нагрузку, причем рассто ние между соседними вибраторами возрастает вдоль оси антенны при удалении от ее входа по закону геометрической прогрессии, а усилители  вл ютс  резонансными и различаютс  только резонансными частотами, которые убывают по закону геометрической прогрессии при удалении от входа антенны, причем входы усилителей подключены к собирательной линии в точках, рассто ни  между которыми равны рассто ни м между соответствующими вибраторами, а выходное сопротивление каждого усилител  выбрано достаточно большим так, чтобы усилители слабо шунтировали собирательную линию. Широкополосные свойства известной активной ЛПА обеспечиваютс  наличием в собирательной линии, нагруженной на высокоомные выходы усилителей, режима бегущей волны, а также тем, что резонансные частоты усилителей и рассто ни  между вибраторами образуют геометрическую прогрессию, вследствие чего активна  область перемещаетс  вдоль антенны пропорционально частоте падающего пол  с сохранением электродинамического подоби . Коэффициент перекрыти  по частоте fmax/fmin определ етс  отношением резонансных частот

крайних усилителей, т.е. теоретически неограничен .

ДН известной активной ЛПА имеет максимум , направленный в сторону,противоположную входу антенны, причем ширина ДН существенно меньше чем у обычной ЛПА той же длины. Кроме того, вибраторы в известной активной ЛПА имеют небольшую высоту, как и в известном вибраторе. Повы0 шение направленности активной ЛПА достигнуто благодар  наличию в антенне активной области большого размера, при близком к оптимальному АФР.

Однако требование к большой величине

5 выходного сопротивлени  усилителей ограничивает применение известной активной ЛПА в основном диапазоном декаметровых волн. Действительно, дл  более высоких частот сопротивление усилителей становитс 

0 малым за счет паразитной выходной емкости , что нарушает режим бегущей волны в линии передачи. Например, выходна  емкость усилител  равна 4 пФ, что на частоте 300 МГц дает емкостное сопротивление 130 Ом.

5 Даже при использовании собирательной линии с низким волновым сопротивлением (например, 100 Ом) наличие указанных паразитных емкостей, включенных параллельно в собирательную линию, приведет к

0 нарушению режима бегущей волны и недопустимому искажению ДН. Таким образом, недостатком активной ЛПА  вл етс  ограничение частотного диапазона со стороны высоких частот.

5 Цель изобретени  - расширение частотного диапазона в сторону высоких частот. Ожидаемый положительный эффект заключаетс  в расширении области применени  активных логопериодических антенн. На0 пример, предлагаемую антенну можно использовать в качестве приемной антенны дл  диапазонов волн от декаметрового до сантиметрового.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в

5 активную логопериодическую антенну, содержащую п идентичных несимметричных вибраторов, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей , и собирательную линию, введены п

0 фильтров нижних частот, включенных на выход согласующих усилителей, и п направленных ответвителей, выходы первичных линий каждого из которых нагружены на выход соответствующего фильтра нижних

5 частот и согласованную нагрузку, а выходы вторичной линии включены последовательно в собирательную линию, причем длины направленных ответвителей пропорциональны рассто ни м между соответствующими несимметричными вибраторами, а их

коэффициенты св зи выбраны в интервале 0,2-0,4, при этом верхн   гранична  частота каждого фильтра нижних частот равна частоте , на которой длина соответствующего направленного ответвител  равна четверти длины волны.

В отличие от прототипа, где выход усилител  подключен к собирательной линии непосредственно и не согласован с ней, в предлагаемой антенне выход усилител  согласован с подключенным к нему фильтром и направленным ответвителем, что существенно дл  достижени  цели изобретени .

Направленные ответвители  вл ютс  в предлагаемом устройстве согласованными элементами св зи усилителей с собирательной линией и одновременно выполн ют роль полосно-пропускающего фильтра за счет известных частотно-избирательных свойств направленного ответвител  на св занных лини х. Фильтры нижних частот служат дл  подавлени  дополнительных максимумов в частотной характеристике направленных ответвителей, дл  чего между граничной частотой фильтра и длиной соответствующего направленного ответвител  выполнено указанное соотношение.

Выбор коэффициента св зи в указанных пределах позвол ет получить оптимальные характеристики антенны.

На фиг.1 представлена схема активной Л ПА; на фиг.2 - зависимость действующей длины предлагаемой антенны, нормированной на действующую длину активного вибратора , от коэффициента св зи К ответвителей; на фиг.З - зависимость ширины луча ДН в Н-плоскости от коэффициента св зи К ответвителей; на фиг.4 - зависимость уровн  бокового излучени  (УБИ) предлагаемой антенны от коэффициента св зи К; на фиг.5 - схема широкополосного усилител  с фильтром; на фиг.6 - амплитудные распределени  в собирательной линии; на фиг.7 - нормированные ДН предлагаемой антенны на трех частотах.

На фиг.1 показаны несимметричные вибраторы 1, широкополосные усилители 2, собирательна  лини  3, вход 4 антенны, согласованна  нагрузка 5, фильтр 6 нижних частот, направленные ответвители 7, согласованные нагрузки 8.

На фиг.2 показана зависимость 9 нормированной действующей длины антенны от коэффициента св зи НО дл  значени  периода структуры (коэффициента подоби  антенны) т - 0,9, аналогичные зависимости 10 и 11 дл  значени  коэффициента подоби  ,88и т 0,86 соответственно.

На фиг.З показана зависимость 12 ширины луча диаграммы направленности в плоскости вектора Н от коэффициента св зи направленного ответвител  К дл  значени 

коэффициента подоби  антенны т 0,86; аналогичные зависимости 13, 14 дл  значени  коэффициента подоби  т 0,88 и т 0,9 соответственно.

На фиг.4 показана зависимость 15 уровн  бокового излучени  антенны от коэффициента св зи направленного ответвител  К дл  значени  коэффициента подоби  антенны т 0,86; аналогичные зависимости 16 и 17 дл  значени  коэффициента подоби 

т 0,88 и т 0,9 соответственно.

На фиг.5 показана схема 2 широкополосного усилител  варианта предлагаемой активной ЛПА, предназначенного дл  работы в полосе частот (48-222,6) МГц; схема 6

фильтра нижних частот.

На фиг.6 показано амплитудное распределение 18 в собирательной линии дл  относительной частоты f/fo 1,667, где f0 - частота, на которой относительна  длина

наибольшего из направленных ответвителей IN/A max 0,25; аналогичные распределени  19, 20 дл  значений относительной частоты f/fo 3,828 и f/f0 7,732 соответственно ,

На фиг.7 показаны нормированные диаграммы 21, 22 направленности предлагаемой активной антенны дл  относительной частоты f/fo 1,667 в плоскост х векторов Е и Н соответственно; нормированные ДН 23

и 24 дл  частоты f/fo 3,828 в плоскост х векторов Е и Н соответственно; нормированные ДН 25,26 дл  частоты f/f0 7,732 в плоскост х векторов Е и Н соответственно. Предлагаема  активна  ЛПА (фиг.1) содержит идентичные несимметричные вибраторы 1, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей 2, собирательную линию 3 в виде пр молинейной воздушной линии передачи

несимметричного типа, один конец которой  вл етс  входом 4 предлагаемой антенны, а другой конец нагружен на согласованную нагрузку 5, причем рассто ние между соседними вибраторами 1 возрастает по закону геометрической прогрессии при удалении от входа 4 антенны, Выход каждого усилител  2 подключен к фильтру нижних частот 6, выход каждого фильтра 6 св зан с собирательной линией 3 через направленный ответвитель 7 на св занных лини х так, что выходы первичной линии направленного ответвител  7 подключены к выходу фил ь- тра 6 и к согласованной нагрузке 8, а вторична  лини  каждого ответвител  7

включена в собирательную линию 3 антенны .

Предлагаема  активна  Л ПА работает следующим образом.

Падающа  на антенну электромагнитна  волна возбуждает на входе каждого вибратора 1 напр жение, которое усиливаетс  соответствующим усилителем 2 и через фильтр нижних частот б и направленный ответвитель 7 поступает в собирательную линию 3. В результате в собирательной линии 3 возникает волна, распростран юща с  в сторону входа антенны 4, состо ща  из суммы волн, возбужденных каждым ответ- вителем 7. Известно, что согласование и разв зка дл  НО на св занных лини х сохран ютс  независимо от частоты, что гарантирует сохранение в собирательной линии 3 режима бегущей волны и, в свою очередь, обеспечивает формирование узкой ДН с максимумом, ориентированным в сторону согласованной нагрузки 5. Наибольша  величина сигнала, ответвл емого в собирательную линию 3, имеет место дл  НО 7, длина которого равна А /4, где А - длина волны падающего на антенну электромагнитного пол . Указанный НО совместно с группой соседних с ним ответвителей образует активную область антенны. При уменьшении длины волны падающего пол  активна  область смещаетс  в сторону входа 4, а при увеличении длины волны - в противоположную сторону. Поскольку рассто ни  между соседними вибраторами 1 и длины ответвителей 7 подчин ютс  закону геометрической прогрессии, длина активной области, выраженна  в длинах волн, остаетс  неизменной при изменении длины волны падающего пол , откуда следует частотна  независимость характеристик предлагаемой антенны. Коэффициент перекрыти  по частоте определ етс  отношением длин крайних направленных ответвителей .

Таким образом, в отличие от прототипа, где активна  область формируетс  за счет включенных в усилители 1,С-контуров, в предлагаемой антенне активна  область формируетс  за счет частотно-избирательных свойств НО на св занных лини х. Следует заметить, что частотна  зависимость переходного ослаблени  НО  вл етс  переодической функцией частоты, так что макси- мумы коэффициента передачи между первичной и вторичной лини ми ответвите- л  7 имеют место, когда длина ответвител  равна (2т-1)А /4, где т 1,2.3.... Следовательно , дл  частот, превышающих первую актаву диапазона, помимо основной активной области, содержащей НО с длиной, близкой к А /4, возможна паразитна  активна  область, содержаща  ответвители с длиной, близкой к 3/4 А а также паразитные активные области более высоких пор дков . Указанные паразитные активные области искажают ДН антенны, поэтому дл  сохранени  работоспособности антенны необходимо их устранение. Дл  их устранени  верхн   гранична  частота каждого фильтра выбрана равной частоте, на которой длина подключенного к данному фильтру 6 НО 7 равна А /4. За счет этого достигаетс  уменьшение сигналов, поступающих в собирательную линию 3 от НО 7, у которых длина превышает А /4. На фиг. 2-4 приведены усредненные в полосе частот характеристики предлагаемой антенны в зависимости от коэффициента св зи К

направленных ответвителей 7, при различных значени х коэффициента подоби  антенны т.Как видно, независимо от параметра т оптимальное значение К находитс  в пределах 0,2-0,4, так как при

меньших значени х К действующа  длина антенны и, следовательно, сигнал на ее входе 4 сильно уменьшаетс  (фиг.2), а при больших значени х К возрастает ширина главного луча (фиг.З) и уровень бокового излучени  (фиг.4).

Разработанный вариант предлагаемой активной ЛПА предназначен дл  работы в полосе частот(48-222,6) МГц, что соответствует диапазону длин волн 6,25-1,35 м, и

обладает следующими геометрическими параметрами . Число вибраторов п 22. Коэффициент св зи ответвителей К 0,3. Каждый вибратор выполнен в виде штыр  диаметром 2 мм и длиной 200 мм и расположен

ортогонально металлическому экрану. Направленные ответвители 7 выполнены на основе воздушной 50-омной коаксиальной линии, расположенной на экране, причем их вторичные линии включены каскадно и образуют собирательную линию 3. Рассто ние между соседними вибраторами 1 равно длине соответствующего НО 7. Длина наибольшего ответвител  7 равна IN 2605 мм. Длина антенны от входа 4 до согласованной

нагрузки 5 равна 3,236 A max, т.е. 20226 мм. Усилители 2 данного варианта активной ЛПА изготовлены по известной схеме, показанной на фиг.5. Измерени  показали, что действующа  длина активного вибратора,

образованного усилителем 2 и вибратором 1, составл ет в указанной полосе частот пав 0,6- 3,5 м, чувствительность не хуже 50 мкВ/м, динамический диапазон 45 дб, коэффициент шума усилител  не более 5 дБ.

Таким образом, отношение сигнал/шум у предлагаемой активной Л ПА выше чем у вход щего в ее состав активного вибратора, так как напр жение сигнала на входе 4 определ етс  когерентным сложением от активных вибраторов в собирательной линии 3, а сложение шумов, создаваемых усилител ми 2, происходит некогерентно. Таким образом , чувствительность разработанного варианта активной ЛПА не хуже 50 мкВ/М.

На фиг.6 показано амплитудное распределение напр жени  вдоль антенны, рассчитанное на выходах ответвителей 7 на двух крайних и средней частоте диапазона. Как видно, за счет фильтров 6 паразитные активные области имеют меньшую амплитуду чем основна  активна  область.

На фиг.7 показаны нормированные ДН предлагаемой активной ЛПА в Е и Н-плоско- ст х на тех же частотах. Главный максимум ориентирован вдоль оси антенны в сторону согласованной нагрузки 5. Ширина луча в Н-плоскости измен етс  в пределах от 38 до 451 в рабочей полосе частот, а относительно действующа  длина - от 1,5 до 1,7.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Активна  логопериодическа  антенна, содержаща  N идентичных несимметричных вибраторов, выходы которых подключены к входам широкополосных согласующих усилителей, собирательную линию, выполненную в виде пр молинейной воздушной несимметричной линии передачи, нагруженной на согласованную нагрузку, причем рассто ние между соседними несимметричными вибраторами возрастает вдоль оси по закону геометрической прогрессии, отличающа с  тем, что, с целью расширени 

   частотного диапазона в область высоких частот , введены N фильтров нижних частот, вклю- ченных на выходе широкополосных согласующих усилителей, и N направленных ответвителей, выполненных на отрезках однеродных длинных линий, выходы первичных линий каждого из которых нагружены на выход соответствующего фильтра нижних частот и согласованную нагрузку, а выходы вторичной линии включены

   последовательно в собирательную линию, причем длины направленных ответвителей пропорциональны рассто ни м между соответствующими несимметричными вибраторами , а их коэффициенты св зи выбраны в

   интервале 0,2-0,4, при этом верхн   гранична  частота каждого фильтра нижних частот равна частоте, на которой длина соответствующего направленного ответвител  равна четверти длины волны.

   .1

   LO

   Со

   Ч

   ОTJ--рtg/hd

   О

   02 ОЦ 0$ /С

   Фиг2

   г Ct

   Л У 0,707

   С,2 ОМ US f(

   Фиг.3

   и

   ФМ.Ц

   о го

   0

   г

   ю

   г)

   -J со о -J о -J

   Тг1

   ч

   СГ-;

   Р

   1

   I- SS

   с: -г

   Ci