Логопериодическая резонаторная антенна

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и в частности логопериодическая резонаторная антенна (ЛПРА) может быть использована в качестве направленной ультракоротковолновой приемопередающей антенны, защищенной от внешних механических воздействий. Целью данного изобретения является разработка ЛПРА, обладающей более высоким КПД, повышенной устойчивостью конструкции к механическим воздействиям (ударным, вибрационным). ЛПРА состоит из линейной решетки щелевых излучателей, в которой соотношение геометрических размеров двух смежных излучателей и двух примыкающих друг к другу интервалов между излучателями постоянно, и питающей линии, нагруженной на активное сопротивление, равное ее волновому сопротивлению. Излучатели - щели выполнены в форме сектора плоского кольца, вырезанного в стенках резонаторов. Возбуждающими элементами каждого излучателя являются плоские короткозамкнутые петли, плоскости которых ориентированы вдоль продольной оси линейной решетки излучателей и перпендикулярно нижней и верхней стенкам резонаторов. Такие элементы связи оказываются более эффективными с точки зрения КПД антенны за счет более сильной электромагнитной связи с резонаторами. В конструкции антенны отсутствуют изолированные от корпуса элементы и нет элементов, выступающих за пределы излучателей. Это обуславливает высокую механическую прочность конструкции. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности логопериодическая резонаторная антенна (ЛПРА) может быть использована в качестве направленной ультракоротковолновой приемно-передающей антенны, защищенной от внешних механических воздействий.

Известны логопериодические антенны, которые могут быть использованы в качестве защищенных антенн ультракоротковолнового диапазона (см. например, Сверхширокополосные антенны. / Под ред. Бененсона Л.С. М. Мир, 1964, стр. 329 335, 342).

Однако известные аналоги обладают малой механической прочностью, низкой эффективностью при погружении их в диэлектрик для обеспечения защищенности от внешних механических воздействий.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является ЛПРА по патенту США N 4594595, 1986 г. Антенна-прототип представляет собой линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, апертуры которых установлены в одной плоскости. В раскрыве каждого резонатора установлена металлическая пластина, связывающая резонатор с питающей линией. Питающая линия представляет собой проводник, размещенный над апертурами излучателей вдоль продольной оси линейной решетки щелевых излучателей. К проводнику питающей линии со стороны наименьшего резонатора подключен фидер, а на противоположном конце включено активное сопротивление, равное волновому сопротивлению питающей линии. Антенна может использоваться как низкопрофильная на плоских поверхностях. Отношение геометрических размеров n-го и n + 1-го (n 1, 2, 3.) щелевых излучателей, а также отношение расстояний вдоль продольной оси линейной решетки между их центрами постоянно.

Однако антенна-прототип обладает следующими недостатками: установка возбуждающей линии вне полости резонаторов приводит к снижению КПД антенны из-за слабой связи возбуждающей линии с резонаторами; наличие относительно слабой в механическом отношении возбуждающей линии и наличие изолированный от общей конструкции элементов (пластины в апертурах резонаторов) делают антенну сильно подверженной механическим воздействиям.

Целью данного изобретения является разработка ЛПРА, обладающей более высоким КПД, повышенной устойчивостью конструкции к механическим воздействиям (ударным, вибрационным).

Поставленная цель достигается тем, что в известной логопериодической резонаторной антенне (ЛПРА), включающей линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, в которой соотношение геометрических размеров n-го и n+1-го (n 1, 2, 3.) резонаторов, щелевых излучателей и расстояний вдоль продольной оси линейной решетки между центрами n-го и n+1-го и n-го и n-1-го щелевых излучателей постоянно, питающую линию, содержащую проводник, подключенный одним концом к активному сопротивлению, равному волновому сопротивлению питающей линии, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, каждый резонатор выполнен в форме сектора кольца. Верхние и нижние стенки резонаторов образованы двумя плоскими металлическими поверхностями, расположенными под углом α друг к другу. Прямолинейные боковые стенки резонаторов образованы металлическими поверхностями, перпендикулярными к верхним и нижними стенкам, электрически соединенными с ними и установленными под углом v друг к другу. Криволинейные боковые стенки n-го резонатора образованы изогнутыми по радиусам r_бn и r_мn металлическими ленточными перемычками. Кромки последних электрически связаны с нижней, верхней и прямолинейными боковыми стенками. Щелевой излучатель в форме сектора плоского кольца шириной b_n вырезан в верхней стенке каждого n-го резонатора между его боковыми прямолинейными стенками. Причем его большая криволинейная кромка совмещена с верхней кромкой большей криволинейной боковой стенки с радиусом кривизны r_бn а меньшая выполнена с радиусом кривизны равным r_бn b_n. Проводник питающей линии установлен параллельно продольной оси линейной решетки щелевых излучателей между верхней и нижней стенками резонаторов и пропущен сквозь отверстия, выполненные в криволинейных боковых стенках резонаторов. Один конец проводника питающей линии через отверстие в большей криволинейной боковой стенке наибольшего резонатора подключен к активному сопротивлению, а другой через отверстие в меньшей криволинейной боковой стенке наименьшего резонатора подключен к центральному проводнику коаксиального фидера, экранная оболочка которого электрически связана с металлической поверхностью, образующей стенки резонатора. В сечение проводника питающей линии, находящегося в пределах каждого резонатора последовательно включена возбуждающая плоская короткозамкнутая (к.з.) петля. Плоскость петли ориентирована вдоль продольной оси линейной решетки щелевых излучателей и перпендикулярно нижней и верхней стенкам резонатора.

Проекция плоской к.з. петли в n-м резонаторе на плоскость его щелевого излучателя составляет (0,8.0,9)b_n. Радиусы кривизны большей r_б1 и меньшей r_м1 криволинейных стенок наибольшего резонатора выбраны из условий r_б1= (0,8...1,1)λ_max и r_б1-r_м1= (0,30...0,35)λ_max (λ_max максимальная длина волны рабочего диапазона волн). Ширина сектора плоского кольца b_n, образующего щелевой излучатель небольшого резонатора, составляет b_n (0,28.0,3) (r_б1 r_м1) Высота большей криволинейной стенки H₁ наибольшего резонатора выбрана из условия H₁ (0,45.0,5)(r_б1-r_м1). Периметр P₁ возбуждающей плоской к. з. петли в наибольшем резонаторе составляет P₁= (0,4...0,5)λ_max. Углы α и ϕ выбраны из условия При заполнении полостей резонаторов диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r радиусы кривизны большей и меньшей криволинейных боковых стенок наибольшего резонатора выбраны из условия: Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование диаграммы направленности в сторону больших резонаторов. Применение более эффективных петлевых элементов связи повышает КПД антенны. В конструкции отсутствуют изолированные от корпуса элементы и нет элементов, выступающих за пределы апертур щелевых излучателей. Отмеченное обуславливает высокую механическую прочность конструкции.

На фиг. 1 показан общий вид антенны и ее сечения; на фиг. 2 элементы конструкции; на фиг. 3 результаты экспериментальных исследований.

Логопериодическая резонаторная антенна, показанная на фиг. 1, включает линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в верхних стенках резонаторов 1, в форме сектора кольца, установленных вдоль продольной оси 0-0'. Верхние и нижние стенки резонаторов образованы двумя плоскими металлическими поверхностями 2 и 3, расположенными под углом α друг относительно друга.

Прямолинейные боковые стенки резонаторов образованы металлическими поверхностями 4, перпендикулярными к верхней 2 и нижней 3 металлическим поверхностям, образующими верхние и нижние стенки резонаторов.

Поверхности 4 электрически соединены с поверхностями 2 и 3 и установлены под углом v друг к другу (см. также фиг. 2). Криволинейные боковые стенки 5 каждого n-го резонатора образованы изогнутыми по радиусам r_бn и r_мn металлическими перемычками, кромки которых электрически соединены с нижними 3, верхними 2 и прямолинейными 4 боковыми стенками резонатора. Высоты перемычек, образующих криволинейные боковые стенки n-го резонатора, равны расстояниям между металлическими плоскостями 2 и 3 в месте установки соответствующие перемычки. Причем меньшая криволинейная боковая стенка резонатора является одновременно большей криволинейной боковой стенкой для меньшего резонатора, прилежащего к предыдущему резонатору. В верхней стенке каждого n-го резонатора между его боковыми прямолинейными стенками вырезан щелевой излучатель в форме сектора плоского кольца 6 (см. также фиг. 2) шириной b_n, у которого большая кромка совмещена с верхней кромкой большей криволинейной боковой стенки 5 с радиусом кривизны r_бn, а меньшая кромка щели 6 выполнена с кривизной радиуса r_бn-b_n В полость каждого n-го резонатора установлена возбуждающая плоская к.з. петля 7, включенная последовательно в сечение проводника 8 питающей линии. Плоскости петель 7 ориентированы вдоль оси 0-0' и перпендикулярно плоскостям металлических поверхностей 2 и 3.

Проводник 8 установлен вдоль продольной оси 0-0' линейной решетки излучателей на расстоянии "с" над нижней металлической поверхностью 3 и проходит через отверстия 9 в криволинейных боковых стенках резонаторов. Форма поперечного сечения проводника 8 не имеет принципиального значения. На фиг. 1 и 2 этот проводник показан с круглым сечением. Для проводника, имеющего круглое поперечное сечение, эквивалентный диаметр равен истинному диаметру. Для проводника, имеющего отличное от круглого сечение, эквивалентный диаметр d₁ рассчитывается по известным формулам (см. например, Емелин Б.Ф. Фильтры на связанных линиях. Л. ВАС, 1969). Проекция каждой плоской к.з. возбуждающей петли 7 на апертуру соответствующего щелевого излучателя составляет (0,8. 0,9) b_n. Причем минимальное расстояние от проводника, образующего возбуждающую плоскую к. з. петлю, до внутренней поверхности верхней стенки соответствующего резонанса составляет (2.10)d₁. Возбуждающие плоские к.з. петли в каждом резонаторе расположены на расстоянии a_n от меньшей криволинейной металлической стенки 5 и могут иметь, например, трапецеидальную форму (см. фиг. 2). Однако такая форма петли непринципиальна. Важно, чтобы часть петли, наиболее близко расположенная к верхней стенке 2 соответствующего резонатора и параллельная ей, составляла не менее 30% периметра петли.

Проводник 8 питающей линии, в сечении которого включены возбуждающие плоские к.з. петли, проходит через отверстия 9 диаметром d₂ в криволинейных боковых стенках 5 (см. фиг.2). Выбор мест соединения металлического проводника 8 и возбуждающих петель не имеет принципиального значения. Проводник 8 и возбуждающие петли 7 могут быть изготовлены как из разных, так и из одного и того же материала. Например, возбуждающие петли могут быть продолжениями металлического проводника 8 (см. фиг. 2). Промежутки между наиболее близко расположенными параллельными участками возбуждающих плоских к.з. петель 7 и металлического проводника 8 питающей линии составляют "е" (см. фиг. 2). В отверстия 9 в криволинейных боковых стенках 5 резонаторов можно вставить диэлектрические втулки 10 с целью фиксации металлического проводника 8. Конец металлического проводника 8, выходящий из большей криволинейной стенки наибольшего резонатора, подключен к активному сопротивлению, равному волновому сопротивлению питающей линии r. Величина этого сопротивления выбирается в интервале r = 100...300 Ом. Другой конец металлического проводника через отверстие в меньшей стенке наименьшего резонатора подключен к центральному проводнику коаксиального фидера 11. Экранная оболочка коаксиального фидера электрически связана с любой из металлических поверхностей 2, 3, 4, 5, исходя из конструктивных соображений. Соотношение геометрических размеров элементов n-го и n + 1-го резонаторов и расстояний вдоль оси 0-0', между одноименными элементами n-1-го и n-го резонаторов и между аналогичными элементами n-го и n+1-го резонаторов, постоянно (например, между центрами щелевых излучателей, принадлежащих n-1-му и n-му и n-му и n+1-му резонаторам), т. е.

где b_n; r_бn; r_мn; L_n соответственно ширина n-й излучающей щели, радиусы кривизны большей и меньшей криволинейных боковых стенок, длина по дуге раскрыва апертуры щелевого излучателя, τ период структуры антенны. Расстояние между проводником 8 питающей линии и нижней металлической плоскостью 3 выбирается таким образом, чтобы образованная ими питающая линия имела волновое сопротивление в 1,5-2 раза больше, чем входное сопротивление проходного резонатора на резонансной частоте.

Для придания жесткости конструкции полости всех резонаторов могут быть заполнены диэлектриком, а вся конструкция антенны смонтирована на подложке 12 из высокопрочного материала.

Для обоснованного определения соотношения размеров элементов конструкции антенны и возможности реализации поставленной цели был изготовлен макет заявленной антенны. Резонаторы выполнены из белой жести толщиной 0,5 мм и заполнены диэлектриком e_r = 4. Антенна включала 5 резонаторов и имела период структуры τ = 0,85. В ходе отработки конструкции было установлено, что поставленная цель реализуется, если радиус кривизны наибольшей криволинейной стенки резонатора r_б1 составляет , ширина щели b_n(0,25.0,3)(r_бn-r_мn), высота большей криволинейной боковой стенки наибольшего резонатора Н₁= (0,45.0,5)(r_б1-r_м1). Углы ϕ и α рассчитываются по формулам (1) и (2). Наилучшие условия возбуждения достигаются при установке возбуждающей плоской к. з. петли на расстоянии а_n (0,4. 0,5)(r_бn-r_мn) от меньшей криволинейной боковой стенки n-го резонатора при размерах I_n (0,4.0,45)(r_бn-r_мn) и h_n (0,7.0,8)H_n (см.фиг.2). Параметры питающей линии, т. е. диаметр d₁ проводника 8 и его удаление "с" от внутренней поверхности нижних стенок резонаторов 3, диаметр отверстий 9 d₂, рассчитываются по известным методикам определения параметров микрополосковых линий (см.например, Сверхширокополосные антенны. /Под ред. Бененсона Л.С. М. Мир, 1964, стр. 309-311) для достижения наилучшего ее согласования с фидером, а также с учетом мощности радиостанции, подключаемой к данной антенне. В частности, для созданного макета цилиндрический проводник отстоял от внутренней нижней металлической поверхности решетки излучателей на расстояние c (1,5. 2)d₁, размер "е" был выбран в пределах (1.2)d₁, диаметр отверстий в криволинейных боковых стенках резонаторов d₂ был принят равным (2.3)d₁. С учетом определенных оптимальных соотношений макет, рассчитанный для работы, начиная с минимальной частоты 488 МГц, имеет размеры, представленные в таблице.

В качестве диэлектрика использовался гетинакс с e_r= 4.. Размеры остальных резонаторов легко рассчитываются с учетом конструктивных параметров антенны τ = 0,85, α = 6°, Заявленное устройство работает следующим образом. При подключении возбуждающей ЭДС со стороны меньших резонаторов вдоль питающей линии распространяется электромагнитная волна. Резонатор, являющийся на данной частоте резонансным, возбуждается плоской к.з. петлей наиболее эффективно. С меньшей эффективностью возбуждаются и резонаторы, примыкающие с двух сторон к резонансному, которые вместе с ним образуют активную зону антенны. При переходе на более высокие (низкие) частоты активная зона в соответствии с принципом электродинамического подобия смещается соответственно в сторону меньших (больших) резонаторов, обеспечивая тем самым сохранение электрических характеристик в диапазоне рабочих частот. В то же время использование элементов связи при возбуждении резонаторов предотвращает шунтирование активной зоны более короткими резонаторами при работе антенны в низкочастотной области рабочего диапазона частот.

Однонаправленное излучение вдоль оси симметрии 0-0' решетки излучателей в сторону больших резонаторов достигается за счет запаздывания фазы возбуждающего тока каждого последующего резонатора относительно фазы возбуждающего тока предыдущего элемента в активной зоне антенны.

На фиг. 3 приведены результаты экспериментальных измерений параметров описанного макета, подтверждающие возможность формирования заданной диаграммы направленности и достижения высокого качества согласования на уровне не ниже 0,5.

Формула изобретения

1. Логопериодическая резонаторная антенна, включающая линейную решетку щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, в которой соотношение геометрических размеров n-го и (n+1)-го (n= 1,2,3,) резонаторов, щелевых излучателей и расстояний вдоль продольной оси линейной решетки между центрами n-го и (n+1)-го и n-го и (n-1)-го щелевых излучателей постоянно, питающую линию, содержащую проводник, подключенный одним концом к активному сопротивлению, равному волновому сопротивлению питающей линии, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, отличающаяся тем, что каждый резонатор выполнен в форме сектора кольца, верхние и нижние стенки резонаторов образованы двумя плоскими металлическими поверхностями, расположенными под углом α друг относительно друга, прямолинейные боковые стенки резонаторов образованы металлическими поверхностями, перпендикулярными к верхним и нижним стенкам, электрически соединенными с ними и установленными под углом v друг к другу, а криволинейные боковые стенки n-го резонатора образованы изогнутыми по радиусам r_бп и r_мп металлическими ленточными перемычками, кромки которых соединены с нижней, верхней и прямолинейными боковыми стенками, щелевой излучатель в каждом резонаторе вырезан между боковыми прямолинейными стенками резонатора в форме сектора плоского кольца шириной b_п и его большая криволинейная кромка совмещена с верхней кромкой большей криволинейной боковой стенки с радиусом кривизны r_бп, а меньшая выполнена с радиусом кривизны равным r_бп b_п, проводник питающей линии установлен параллельно продольной оси линейной решетки щелевых излучателей между верхней и нижней стенками резонаторов и пропущен сквозь отверстия, выполненные в криволинейных боковых стенках резонаторов, один конец проводника питающей линии через отверстие в большей криволинейной боковой стенке наибольшего резонатора подключен к активному сопротивлению, а другой через отверстие в меньшей криволинейной боковой стенке наименьшего резонатора подключен к центральному проводнику коаксиального фидера, экранная оболочка которого электрически связана с металлической поверхностью, образующей стенки резонатора, в сечение проводника, находящегося в пределах каждого резонатора, последовательно включена возбуждающая плоская короткозамкнутая петля, плоскость которой ориентирована вдоль продольной оси линейной решетки щелевых излучателей и перпендикулярно нижней и верхней стенкам резонатора.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что проекция плоской короткозамкнутой петли в n-ом резонаторе на плоскость щелевого излучателя составляет (0,8 0,9)b_n, а геометрические размеры элементов наибольшего резонатора выбраны из условий: радиусы кривизны большей r_б1 и меньшей r_м1 криволинейных боковых стенок ширина плоского кольца, образующего щелевой излучатель b₁ (0,28 0,3) · (r_б1 r_м1); высота большей криволинейной стенки Н₁ (0,45 0,5) · (r_б1 - r_м1); периметр Р₁ возбуждающей плоской короткозамкнутой петли в наибольшем резонаторе составляет P₁=(0,4-0,5)λ_max, а углы α и ϕ выбраны из условия


где λ_max, максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

3. Антенна по п. 1 или п. 2, отличающаяся тем, что внутренние полости всех резонаторов заполнены диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r а радиусы кривизны большей и меньшей криволинейных боковых стенок наибольшего резонатора выбраны из условия

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4