Что такое активная область лпа
Перейти к содержимому

Что такое активная область лпа

  • автор:

10. Широкополосные антенны

Для построения многих современных систем радиосвязи, радиолокации и радиомониторинга ОВЧ—СВЧ диапазонов необходимы антенны, обладающие широкой полосой рабочих частот с коэффициентом перекрытия до 5—10 и более. Типичными представителями класса широкополосных антенн являются вибраторные логопериодические антенны (ЛПА), спиральные антенны, ТЕМ-рупоры, полосковые антенны Вивальди [2—5, 10].

10.1. Логопериодические вибраторные антенны

Логопериодические антенны относятся к классу сверхширокополосных антенн, обладающих практически постоянными формой ДН и входным сопротивлением при изменении частоты. Принцип действия ЛПА основан на принципе электродинамического подобия, согласно которому при изменении длины волны и размеров антенны в определенное одинаковое число раз характеристики антенны остаются неизменными. Существует множество модификаций ЛПА. Рассмотрим вариант вибраторной ЛПА, приведенной на рис. 10.1 [10].

Рис. 10.1. Вибраторная ЛПА

Антенна выполняется в виде решетки из симметричных электрических вибраторов, подключенных к двухпроводной линии передачи. Возбуждение осуществляется без симметрирующего устройства с помощью коаксиальной линии, проложенной внутри одного из цилиндрических проводников двухпроводной линии. Длины вибраторов независимо от номера n (n=1; 2; . ) удовлетворяют соотношению

где τ — пространственный период структуры. Линии, соединяющие концы вибраторов, образуют угол α.

По принципу действия подобная ЛПА напоминает директорную антенну. На частоте f0 резонирует, т.е. возбуждается наиболее интенсивно вибратор, длина плеча которого близка к λ0/4, поскольку входное сопротивление этого вибратора можно считать активным. Другие вибраторы возбуждаются менее интенсивно, так как входное сопротивление их велико из-за большой реактивной компоненты. Активная область антенны, формирующая ЭМП излучения, включает обычно 3—5 вибраторов, в том числе резонирующий и соседние слева и справа. Фазовые соотношения токов в вибраторах активной области определяются длиной вибраторов, взаимным влиянием и переменно-фазным (поочередным) подключением их к разным проводникам питающей линии. При этом оказывается, что токи в более коротких вибраторах отстают, а в более длинных — опережают по фазе ток в резонансном вибраторе. Поэтому более короткие вибраторы работают как директоры, а более длинные — как рефлекторы. Максимальное излучение направлено в сторону вершины антенны (от самого длинного до самого короткого вибратора).

Если частота входных колебаний уменьшится и станет равной τf0, то начнет резонировать следующий, более длинный вибратор; при этом активная область переместится в сторону более длинных вибраторов. Напротив, при увеличении частоты активная область сместится к вершине антенны. На всех частотах

где n — номер вибратора; fn — резонансная частота n-го вибратора, свойства антенны остаются неизменными. В интервалах между резонансными частотами свойства антенны меняются, но незначительно. Логарифмирование (10.2) приводит к выражению lnfn=(n−1)lnτ+lnf1. В логарифмическом масштабе резонансные частоты повторяются через интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.

Таким образом, ширина рабочей полосы частот ЛПА снизу ограничивается допустимыми размерами самых длинных вибраторов (λmах≈4lmах), а сверху — возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λmin≈4lmin). ЛПА может сохранять практически неизменную форму ДН в почти десятикратном диапазоне частот (fmax/fmin≤10); при этом КСВ в питающей линии передачи находится в пределах 1,4 — 1,8. Заметим, что вследствие перемещения активной области по длине антенны с изменением частоты меняется также положение фазового центра антенны. Это несущественно, например, при приеме телевизионных сигналов, но принципиально при использовании ЛПА в качестве облучателя зеркальных антенн, а также в системах с широкополосными сигналами.

В связи с тем что активная (интенсивно излучающая) область образуется малым числом вибраторов, ДН ЛПА оказывается довольно широкой, причем в Е-плоскости, в которой расположены вибраторы, ширина ДН меньше, чем в Н-плоскости. Увеличение τ при неизменном α сужает ДН, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область. Уменьшение угла α при неизменном τ также сужает ДН, поскольку при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется. Сказанное справедливо только до некоторых критических значений τmах≈0,95 и αmin≈10°. Типичные значения КНД (КУ) ЛПА составляют 6—7 дБ.

На практике применяются различные варианты ЛПА, как в плане конструкции, так и технологии изготовления [2, 3, 5, 10].

RU179700U1 — Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами — Google Patents

Publication number RU179700U1 RU179700U1 RU2017139029U RU2017139029U RU179700U1 RU 179700 U1 RU179700 U1 RU 179700U1 RU 2017139029 U RU2017139029 U RU 2017139029U RU 2017139029 U RU2017139029 U RU 2017139029U RU 179700 U1 RU179700 U1 RU 179700U1 Authority RU Russia Prior art keywords vibrators antenna collinear ultra active Prior art date 2017-11-09 Application number RU2017139029U Other languages English ( en ) Inventor Валерий Михайлович Голубев Василий Дмитриевич Пашкевич Original Assignee Открытое акционерное общество «Научно-технический институт «Радиосвязь» (ОАО «НТИ «Радиосвязь») 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.) 2017-11-09 Filing date 2017-11-09 Publication date 2018-05-22 2017-11-09 Application filed by Открытое акционерное общество «Научно-технический институт «Радиосвязь» (ОАО «НТИ «Радиосвязь») filed Critical Открытое акционерное общество «Научно-технический институт «Радиосвязь» (ОАО «НТИ «Радиосвязь») 2017-11-09 Priority to RU2017139029U priority Critical patent/RU179700U1/ru 2018-05-22 Application granted granted Critical 2018-05-22 Publication of RU179700U1 publication Critical patent/RU179700U1/ru

Links

Images

Classifications

    • H — ELECTRICITY
    • H01 — ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q — ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00 — Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06 — Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08 — Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H01Q21/10 — Collinear arrangements of substantially straight elongated conductive units

    Abstract

    Полезная модель относится к антенной технике, работающей в диапазоне коротких волн и может быть использована на стационарных и мобильных объектах связи в качестве передающей антенны с передатчиками средней и повышенной мощности. В основу полезной модели положена задача синтеза сверхширокополосной антенны, в которой за счет применения принципа пирамидальности, вносимого в классическую конструкцию плоской логопериодической структуры, а также за счет внедрения дополнительных коллинеарных вибраторов достигнуто расширение возможности работы антенны до всей коротковолновой области с повышенным значением абсолютного коэффициента усиления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

    Description

    Полезная модель относится к антенной технике и может найти применение в качестве передающей сверхширокополосной антенны диапазона 2-30 МГц с повышенным значением коэффициента усиления, используемой на стационарных и мобильных объектах связи с передатчиками средней и повышенной мощности.

    Известны антенные системы — коллинеарные антенны, в которых эффект повышения коэффициента усиления достигается за счет последовательного соединения полуволновых проводников через реактивные двухполюсники, которые позволяют получить синфазное распределение тока на всех проводниках, образующих коллинеарную антенну [Бузов А.Л. Казанский Л.С. Романов В.А. Сподобаев Ю.М. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной радиосвязи. — М.: Радио и связь, 1997. — 150 с.].

    Известны технические решения по созданию коллинеарных структур (патенты №2385519, №2157581), но необходимо отметить, что общим свойством описанных решений является их работа в сантиметровом, метровом, дециметровом диапазонах.

    Известна антенна с логарифмическим периодом излучения, описанная в патенте №2392706, работающая в декаметровом диапазоне волн, однако представленная конструкция не обеспечивает перекрытие всего коротковолнового диапазона, а максимальный коэффициент усиления на верхней частоте достигает лишь 6,2 дБ.

    Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является плоская логопериодическая вибраторная антенна по патенту РФ №2088003 (МПК: H01Q 11/10), состоящая из множества излучателей, имеющих форму диполей, расположенных параллельно друг другу и присоединенных к двухпроводному фидеру.

    Недостатком известной плоской логопериодической антенны является узкий рабочий диапазон частот в ДКМВ диапазоне (коэффициент перекрытия по частоте составляет

    ), а также относительно низкий коэффициент усиления на верхней частоте равный 10 дБ.

    Целью заявляемой полезной модели является создание антенны, способной обеспечивать работу во всем коротковолновом диапазоне от 2 до 30 МГц (коэффициент перекрытия по частоте

    ) с повышенным значением абсолютного коэффициента усиления.

    Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в основу полезной модели положена многовибраторная пирамидальная логопериодическая антенна с параметрами знаменателя геометрической прогрессии τ=0,87 и относительного расстояния между вибраторами σ=0,12, содержащая 26 вибраторов сосредоточенных по всей длине структуры, подключенных поочередно противофазно через один к двухпроводной распределительной линии, причем к обоим концам каждого вибратора структуры крепятся изолированные гальванически дополнительные, т.н. коллинеарные проводники (вибраторы), длины которых и расположение относительно основных активных вибраторов удовлетворяют соотношениям:

    — для вибраторов №1-17 — l1=0,93L, l2=0,1L;
    — для вибраторов №18-26 —

    где l1 — длина коллинеарного вибратора, l2 — удаление коллинеарного вибратора от активного в проекции на горизонтальную плоскость, L — длина активного вибратора.

    Дополнительно в конструкции логопериодической антенны включен принцип пирамидальности — вибраторы относительно собирательной линии наклонены по отношению к земле на угол Ψ, лежащий в пределах 100°≤Ψ≤155°, что является конструктивным требованием к выполнению антенны. Сама же логопериодическая структура с целью сокращения количества опорных мачт и упрощения конструкции имеет излом, вершиной которого является место соединения вибратора №22 с распределительной линией, выбранный таким образом, чтобы обеспечить угол наклона части распределительной линии с вибраторами №1-22 с горизонтальной плоскостью в 22°, с вибраторами №22-26 с горизонтальной плоскостью в 20°.

    Техническим результатом, достигаемым при реализации всей совокупности заявляемых существенных признаков, является расширение рабочего диапазона частот до всей коротковолновой области, а также повышение абсолютного коэффициента усиления на 2-3 дБ.

    Возможность достижения поставленной цели подтверждается результатами аналитического расчета и математического моделирования с помощью программного пакета 4NEC2X (v.5.8.1).

    Предлагаемая конструкция логопериодической антенны с коллинеарными вибраторами иллюстрируется и поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2.

    На фиг. 1 и фиг. 2 представлены общий вид и виды в проекциях на плоскости XY, YZ, XZ заявляемой логопериодической антенны соответственно. Логопериодическая антенна содержит 26 вибраторов 1, 2, 3, конструкция которых предполагает наличие активных вибраторов 8 и расположенных на определенном расстоянии 9 от них дополнительных коллинеарных вибраторов 7. Активные вибраторы 8 коммутируются к распределительной (собирательной) линии 4 перекрестно. Высота подвеса полотна антенны обеспечивается с помощью задействования одной мачты высотой 35 метров, устанавливаемой в месте соединения 6 вибратора №22 с распределительной линии 4, при этом конец распределительной линии 10 с низкочастотными вибраторами закрепляется на подпорке высотой 9 метров таким образом, чтобы обеспечить угол α1 с осью X, а часть с высокочастотными вибраторами угол α2 с осью X с закреплением начала распределительной линии — точки питания 5 на подпорке высотой 5 метров.

    Результаты расчетов и математического моделирования в виде значений коэффициента усиления на частотах диапазона, графика зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению относительно линии питания с волновым сопротивлением 300 Ом, диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях на крайних и средней частоте рабочего диапазона представлены на фиг. 3.

    Логопериодическая антенна работает следующим образом.

    При подведении высокочастотной энергии к точке питания антенны ЛПА начинает излучать, причем в излучении участвует группа вибраторов, называемая активной зоной. Примерно в середине активной зоны располагается фазовый центр антенны. При изменении частоты подводимой высокочастотной энергии зона перемещается вдоль структуры, располагаясь в той части антенны, где длина активных вибраторов, примерно соответствует половине длине волны. Именно на этих вибраторах наблюдается наибольшее по амплитуде распределение тока. Кроме того, за счет сильных наведенных взаимосвязей возникают токи и на дополнительных коллинеарных вибраторах, гальванически изолированных от основных — активных, вследствие чего и наблюдается эффект увеличения коэффициента усиления.

    Claims ( 3 )

    1. Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами, состоящая из 26 активных вибраторов, сосредоточенных по всей длине структуры и подключенных противофазно через один к распределительной двухпроводной линии, отличающаяся тем, что к каждому концу каждого активного вибратора крепятся изолированные дополнительные коллинеарные проводники, длины которых и расположение относительно основных активных удовлетворяют соотношениям — для вибраторов №1-17 —

    ; для вибраторов №18-26 —

    Figure 00000007

    — длина коллинеарного проводника,

    — удаление коллинеарного проводника от активного в проекции на горизонтальную плоскость, L — длина активного вибратора.

    2. Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами по п. 1, отличающаяся тем, что вибраторы антенны относительно собирательной линии наклонены по отношению к земле на угол Ψ, лежащий в пределах 100°≤Ψ≤155°, а сама антенна имеет излом, вершиной которого является место соединения вибратора №22 с распределительной линией, выбранный таким образом, чтобы обеспечить угол наклона части распределительной линии с вибраторами №1-22 с горизонтальной плоскостью в 22°, а с вибраторами №22-26 с горизонтальной плоскостью в 20°.

    RU2017139029U 2017-11-09 2017-11-09 Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами RU179700U1 ( ru )

    Priority Applications (1)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    RU2017139029U RU179700U1 ( ru ) 2017-11-09 2017-11-09 Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами

    Applications Claiming Priority (1)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    RU2017139029U RU179700U1 ( ru ) 2017-11-09 2017-11-09 Сверхширокополосная логопериодическая антенна с коллинеарными вибраторами

    Publications (1)

    Publication Number Publication Date
    RU179700U1 true RU179700U1 ( ru ) 2018-05-22

    Широкополосная антенна

    Широкополосная антенна — антенна ,осн. элек-трич. характеристики к-рой — диаграмма направленности (ДН), входное сопротивление, поляризац. свойства — мало меняются при изменении частоты колебаний. Ш. а. применяется для излучения или приёма широкополосных сигналов; позволяет также без перестройки работать при переходе с одной частоты на другую. Обычно к Ш. а. относят антенны, сохраняющие характеристики в полосе частот св. 10%. Если отношение максимальной рабочей частоты к минимальной (перекрытие частот) составляет 5:1 и более, такие антенны называют сверхширокополосными (США) или частотно-независимыми.

    Для слабонаправленных антенн обычной конструкции, таких, как линейный вибратор, полоса рабочих частот определяется гл. обр. частотной зависимостью входного сопротивления, поскольку вследствие малых размеров излучателей (в долях длины волны l) ДН таких антенн слабо зависит от частоты. Частотную зависимость входного сопротивления антенн вибраторного типа можно ослабить при увеличении толщины плеч вибраторов (вибраторы с пониженным волновым сопротивлением) или приданием им конич. формы. Др. способ расширения полосы рабочих частот вибраторов заключается в использовании разл. рода шунтов, устанавливаемых, напр., в плечах петлевого вибратора Пистолькорса либо замыкающих плечи плоских или объёмных конич. вибраторов в их середине (шунтовой вибратор Айзенберга) или в раскрыве. Полоса рабочих частот таких антенн по входному сопротивлению десятки и даже сотни процентов, однако при этом может наблюдаться существ. изменение ДН. При расположении Ш. а. над поверхностью экрана (Земли) важным фактором, влияющим на полосу рабочих частот. является частотная зависимость ДН, обусловленная интерференцией полей, излучаемых непосредственно антенной и отражаемых от экрана.

    Сравнительно широкополосны антенны бегущей волны (АБВ): диэлектрич. стержневые антенны, однозаходные цилиндрические и конические спиральные антенны, применяемые на дециметровых и сантиметровых волнах. Рупорные антенны весьма широкополосны по входному сопротивлению (почти с двукратным перекрытием), однако ширина осн. лепестка ДН меняется обратно пропорционально частоте. Устранить эту зависимость можно за счёт спец. конструкции стенок рупора, выполняя их гофрированными или перфорированными. В диапазоне декаметровых волн в качестве Ш. а. применяют ромбические антенны и проволочные АБВ (обладающие, правда, низким кпд).

    Широкополосные свойства остронаправленных антенн параболического и линзового типов определяются гл. обр. широкополосностью облучателей. Присущая этим антеннам, как и другим апертурным излучателям, зависимость ширины ДН от размеров антенны в долях l может быть скомпенсирована подбором спец. облучателя, меняющего ширину лепестка, облучающего антенну, при изменении частоты колебаний. Широкополосность др. типа остронаправленных антенн — многоэлементных антенных решёток (AP) из слабонаправленных излучателей — ограничена, помимо широкополосности излучающих элементов и схемы, обеспечивающей требуемое фазирование элементов, изменением шага решётки (расстояния между соседними излучателями) в долях l при изменении частоты. Последнее обстоятельство может вызвать появление дополнит. максимумов в ДН на высоких частотах.

    К числу США относятся антенны в виде логарифмич. спиралей, плоских или конических. Сверхширокополосные свойства этих и подобных антенн определяются совокупностью неск. факторов. Главный из них связан с явлением отсечки токов, т. е. резким ослаблением амплитуды токов (в передающем режиме) вне нек-рой «активной области», формирующей излучение. Размеры активной области при изменении частоты остаются постоянными в долях соответствующей этой частоте длине волны l, что обеспечивает сохранение электрич. характеристик. Др. фактор, обеспечивающий неизменное значение входного сопротивления в полосе частот, обусловлен совпадением формы щелевой части антенны с металлической (т. н. принцип самодополнительности). Принцип отсечки токов реализуется также в плоских арифметических (архимедовых) спиралях. К США, обеспечивающим более чем десятикратное перекрытие рабочих частот, относятся также логопериодич. антенны (ЛПА), применяемые как в диапазоне СВЧ, так и на декаметровых волнах. Использование ЛПА в AP позволяет существенно повысить их Широкополосность, если излучатели располагать по радиусу в определённом круговом секторе.

    Литература по широкополосным антеннам

    1. Сверхширокополосные антенны, пер. с англ., M., 1964;
    2. Коротковолновые антенны, 2 изд., M., 1985; Сазонов Д. M.,
    3. Антенны и устройства СВЧ, M., 1988.

    Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

    Теория антенн – Логопериодическая антенна

    Антенна Яги-Уда в основном используется для бытовых целей. Однако для коммерческих целей и настройки диапазона частот нам нужна другая антенна, известная как логопериодическая антенна . Логопериодическая антенна – это антенна, импеданс которой является логарифмически периодической функцией частоты.

    Диапазон частот

    Частотный диапазон, в котором работают логопериодические антенны, составляет от около 30 МГц до 3 ГГц, которые принадлежат диапазонам ОВЧ и УВЧ .

    Строительство и работа логопериодической антенны

    Конструкция и работа логопериодической антенны аналогичны конструкции антенны Яги-Уда. Основным преимуществом этой антенны является то, что она демонстрирует постоянные характеристики в требуемом диапазоне частот. Он имеет такую ​​же радиационную стойкость и, следовательно, тот же КСВ. Коэффициент усиления и переднее-обратное отношение также одинаковы.

    Логопериодическая антенна

    На рисунке показана логопериодическая антенна.

    С изменением рабочей частоты активная область перемещается между элементами, и, следовательно, все элементы не будут активными только на одной частоте. Это его особенность .

    Существует несколько типов логопериодических антенн, таких как плоская, трапециевидная, зигзагообразная, V-образная, щелевая и дипольная. Наиболее часто используемым является логопериодический дипольный массив, короче говоря, LPDA.

    Журнал периодического массива

    Диаграмма лог-периодического массива приведена выше.

    Физическая структура и электрические характеристики, когда они наблюдаются, имеют повторяющийся характер. Массив состоит из диполей различной длины и расстояния, которые питаются от двухпроводной линии электропередачи. Эта линия перемещается между каждой соседней парой диполей.

    Длина диполя и разделение связаны формулой

    f r a c R 1 R 2 = f r a c R 2 R 3 = f r a c R 3 R 4 = T = f r a c l 1 l 2 = f r a c l 2 l 3 = f r a c l 3 l 4

    • т – расчетное соотношение и т
    • R – расстояние между подачей и диполем
    • l длина диполя.

    Полученные директивные выгоды от низкого до умеренного. Радиационные диаграммы могут быть однонаправленными или двунаправленными .

    Радиационная картина

    Диаграмма направленности логопериодической антенны может быть однонаправленной или двунаправленной, в зависимости от каротажных периодических структур.

    Для однонаправленной логопериодической антенны излучение в сторону более короткого элемента является значительным, тогда как в прямом направлении оно мало или равно нулю.

    Uni Directional Log-Periodic

    Диаграмма направленности для однонаправленной логопериодической антенны приведена выше.

    Для двунаправленной логопериодической антенны максимальное излучение находится в широкой стороне, которая нормальна к поверхности антенны.

    Двунаправленный лог-периодический

    На приведенном выше рисунке показана диаграмма направленности двунаправленной логопериодической антенны.

    преимущества

    Ниже приведены преимущества Log-периодических антенн –

    • Конструкция антенны компактна.
    • Усиление и диаграмма направленности варьируются в зависимости от требований.

    Недостатки

    Ниже приведены недостатки Log-периодических антенн –

    • Внешнее крепление.
    • Стоимость установки высока.

    Приложения

    Ниже приведены применения логопериодических антенн –

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *