RU2663264C2

RU2663264C2 - Ultrabroadband log-periodic antenna

Info

Publication number: RU2663264C2
Application number: RU2017101490A
Authority: RU
Inventors: Данил Данилович Кохнюк; Игорь Александрович Боровик; Никита Васильевич Коробейников; Григорий Яковлевич Лило; Ярослав Викторович Федоров; Иван Дмитриевич Павлов
Original assignee: Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро автоматики"
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-08-03
Also published as: RU2017101490A; RU2017101490A3

Abstract

FIELD: antenna equipment.SUBSTANCE: invention refers to the antenna equipment, namely to the ultra-wideband antennas, which operate in the continuous range of ultrahigh (UHF), superhigh (SHF) and extremely high (EHF) frequencies and intended for use in the radio systems of various purposes. Antenna consists of two identical flat metallic log-periodic structures, which are mounted at the angle to each other, both log-periodic structures are designed in the form of the printed circuit board on one side of the flexible foil dielectric plate, which is bent to the desired angle at the gap between the crests of the structures.EFFECT: technical result consists in extending the operating frequency range of the antenna to the high-frequency range.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к сверхширокополосным антеннам, работающим в непрерывном диапазоне ультравысоких (УВЧ), сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких (КВЧ) частот и предназначенным для использования в радиотехнических системах различного назначения.The invention relates to antenna technology, namely to ultra-wideband antennas operating in the continuous range of ultra-high (UHF), ultra-high (microwave) and extremely high (EHF) frequencies and intended for use in radio systems for various purposes.

Логопериодические антенны (ЛПА) широко известны (Сверхширокополосные антенны. /Под ред. Л.С. Бененсона. - М.: Мир, 1964, с. 6, 250). ЛПА выполняются из двух одинаковых металлических логопериодических структур (плечей), разделенных зазором и возбуждаемых в противофазе. Структуры располагаются параллельно или под углом друг к другу и питаются либо от симметричной двухпроводной линии, либо от коаксиальной или микрополосковой линии, проходящей вдоль продольной оси антенны.Log-periodic antennas (LPA) are widely known (Ultra-wideband antennas. / Under the editorship of L.S. Benenson. - M.: Mir, 1964, p. 6, 250). LPA are made of two identical metal log-periodic structures (shoulders), separated by a gap and excited in antiphase. The structures are parallel or at an angle to each other and are powered by either a symmetrical two-wire line or a coaxial or microstrip line running along the longitudinal axis of the antenna.

Одна из первых логопериодических антенн, использовавшаяся как облучатель для линзовых и зеркальных антенн, работала в диапазоне частот 600-6000 МГц (Сверхширокополосные антенны. /Под ред. Л.С. Бененсона. - М.: Мир, 1964, с. 371).One of the first log-periodic antennas, used as an irradiator for lens and mirror antennas, worked in the frequency range 600-6000 MHz (Ultra-wideband antennas. / Ed. By L.S. Benenson. - M .: Mir, 1964, p. 371).

Большинство практически реализованных ЛПА работают в диапазоне частот ниже 10 ГГц. Например, антенна пассивная логопериодическая П6-68 имеет рабочий диапазон частот 500-3000 МГц (интернет сайт «Специального конструкторского бюро радиоизмерительной аппаратуры», г. Нижний Новгород, www.skbriap.ru).Most practically implemented LPAs operate in the frequency range below 10 GHz. For example, a passive log-periodic antenna P6-68 has an operating frequency range of 500-3000 MHz (Internet site of the Special Design Bureau of Radio Measuring Equipment, Nizhny Novgorod, www.skbriap.ru).

Сверхширокополосная измерительная логопериодическая антенна П6-122М2 и малогабаритная широкополосная логопериодическая антенна АС4.31 компании «СКАРД-Электроникс» работают соответственно в диапазонах частот 0,3-6 ГГц и 1-18 ГГц (интернет сайт АО «СКАРД-Электроникс», г. Курск, www.skard.ru).Ultra-wide measuring log-periodic antenna P6-122M2 and small-sized broadband log-periodic antenna АС4.31 of SKARD-Electronics company operate in the frequency ranges 0.3-6 GHz and 1-18 GHz, respectively (Internet site of SCARD Electronics, Kursk , www.skard.ru).

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является выбранная в качестве прототипа логопериодическая направленная антенна HLO5O фирмы ROHDE&SCHWARZ (интернет сайт компании ROHDE&SCHWARZ, www.rohde-schwarz.ru). Антенна работает в диапазоне частот от 850 МГц до 26,5 ГГц и является наиболее высокочастотной из известных ЛПА. Конструктивно антенна представляет собой две одинаковые плоские металлические логопериодические структуры, установленные под углом друг к другу. Каждая из логопериодических структур состоит из двух частей. Нижняя часть установлена на опорном корпусе и соединена с верхней частью, являющейся высокочастотным продолжением логопериодической структуры. Вблизи верхушки антенны имеются элементы крепления, фиксирующие вершины логопериодических структур одну относительно другой. Антенна закрывается радиопрозрачным кожухом.Closest to the technical nature of the invention is the selected as a prototype log-periodic directional antenna HLO5O company ROHDE & SCHWARZ (Internet site of the company ROHDE & SCHWARZ, www.rohde-schwarz.ru). The antenna operates in the frequency range from 850 MHz to 26.5 GHz and is the most high-frequency of the known LPA. Structurally, the antenna is two identical flat metal log-periodic structures mounted at an angle to each other. Each of the log-periodic structures consists of two parts. The lower part is mounted on the support housing and connected to the upper part, which is a high-frequency continuation of the log-periodic structure. Near the top of the antenna there are fastening elements that fix the vertices of the log-periodic structures relative to one another. The antenna is closed by a radiolucent casing.

К недостаткам этих антенн можно отнести указанную ограниченность высокочастотной части рабочего диапазона частот.The disadvantages of these antennas include the indicated limitation of the high-frequency part of the working frequency range.

Целью изобретения является разработка сверхширокополосной максимально высокочастотной логопериодической антенны, верхняя высокочастотная граница рабочего диапазона частот которой расположена в диапазоне КВЧ.The aim of the invention is the development of ultra-wideband maximum high-frequency log-periodic antenna, the upper high-frequency border of the operating frequency range of which is located in the EHF range.

Указанная цель достигается тем, что в антенне, состоящей из двух одинаковых плоских металлических логопериодических структур, установленных под углом друг к другу, обе логопериодические структуры выполнены в виде печатной платы на одной стороне пластины гибкого фольгированного диэлектрика, согнутой на требуемый угол в месте зазора между вершинами структур.This goal is achieved by the fact that in an antenna consisting of two identical flat metal log-periodic structures installed at an angle to each other, both log-periodic structures are made in the form of a printed circuit board on one side of a flexible foil dielectric plate bent to the required angle in the gap between the vertices structures.

На рис. 1 представлена конструкция сверхширокополосной ЛПА, где 1 - логопериодические структуры, 2 - линия питания, 3 - опорный диэлектрический корпус. На рис. 2 изображены логопериодические структуры на пластине фольгированного диэлектрика.In fig. 1 shows the design of ultra-wideband LPA, where 1 - log-periodic structures, 2 - power line, 3 - reference dielectric housing. In fig. 2 shows log-periodic structures on a foil dielectric plate.

Сверхширокополосная логопериодическая антенна состоит из двух одинаковых плоских металлических логопериодических структур, выполненных в виде печатной платы на одной стороне пластины гибкого фольгированного диэлектрика. Структуры на печатной плате располагаются соосно вершинами друг к другу с необходимым зазором. Перед сборкой антенны логопериодические структуры вырезаются по вершинам зубцов (вибраторов), причем в месте зазора между структурами остается участок диэлектрической пластины, свободный от металла. Далее пластина, согнутая с помощью приспособления в месте зазора между вершинами структур на требуемый угол, устанавливается на опорный диэлектрический корпус. Логопериодические структуры возбуждаются в противофазе расположенной по оси антенны линией питания, выполненной в виде сверхширокополосного симметрирующего согласующего трансформатора.An ultra-wideband log-periodic antenna consists of two identical flat metal log-periodic structures made in the form of a printed circuit board on one side of a flexible foil dielectric plate. Structures on the printed circuit board are aligned with their vertices to each other with the necessary clearance. Before assembling the antenna, log-periodic structures are cut out along the tops of the teeth (vibrators), and at the place of the gap between the structures there remains a portion of the dielectric plate free of metal. Next, the plate, bent by means of a device in the place of the gap between the vertices of the structures at the required angle, is mounted on the supporting dielectric housing. Log-periodic structures are excited in antiphase by a power line located along the axis of the antenna, made in the form of an ultra-wideband balancing matching transformer.

Высокочастотная граница рабочего диапазона частот ЛПА теоретически не ограничена и на практике зависит от типа и размеров линии питания и достижимой точности изготовления вибраторов, расположенных вблизи вершин логопериодических структур. Указанные малые вибраторы, длина которых должна быть меньше половины длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона частот, относительно просто реализуются при изготовлении логопериодических структур в виде печатной платы методом фотохимического травления на фольгированном диэлектрике.The high-frequency boundary of the operating frequency range of the LPA is theoretically unlimited and in practice depends on the type and size of the power line and the achievable accuracy of manufacturing vibrators located near the vertices of log-periodic structures. These small vibrators, the length of which should be less than half the wavelength corresponding to the upper frequency of the working frequency range, are relatively easy to implement in the manufacture of log-periodic structures in the form of a printed circuit board by photochemical etching on a foil dielectric.

В то же время при использовании в антенне двух отдельно изготовленных логопериодических структур сложно добиться повторяемости расположения вершин структур относительно друг друга и от проводников линии питания. Нарушения требуемого взаимного положения или использование каких-либо дополнительных элементов крепления в вершине антенны влияют на амплитудно-фазовое распределение токов в вибраторах активной зоны в вершине антенны и, как следствие, искажается форма диаграмм направленности и увеличивается уровень бокового излучения. Это ограничивает верхнечастотную границу рабочего диапазона частот антенны.At the same time, when using two separately made log-periodic structures in the antenna, it is difficult to achieve repeatability of the arrangement of the vertices of the structures relative to each other and from the conductors of the power line. Violations of the required mutual position or the use of any additional fastening elements at the top of the antenna affects the amplitude-phase distribution of currents in the vibrators of the active zone at the top of the antenna and, as a result, the shape of the radiation patterns is distorted and the level of side radiation increases. This limits the high frequency boundary of the operating frequency range of the antenna.

Выполнение обеих логопериодических структур в виде печатной платы на одной пластине гибкого фольгированного диэлектрика с последующим изгибанием пластины на требуемый угол обеспечивает точную фиксацию вершин логопериодических структур относительно друг друга и от проводников линии питания без дополнительных элементов крепления. Это при достаточно малой длине вибраторов в вершинах логопериодических структур позволяет получить удовлетворительную форму диаграммы направленности и приемлемый малый уровень бокового излучения в области верхних частот и тем самым сделать антенну максимально высокочастотной.The execution of both log-periodic structures in the form of a printed circuit board on one plate of a flexible foil dielectric with subsequent bending of the plate to the required angle ensures accurate fixation of the vertices of the log-periodic structures relative to each other and from the conductors of the power line without additional fastening elements. This, with a sufficiently short length of vibrators at the vertices of log-periodic structures, makes it possible to obtain a satisfactory radiation pattern and an acceptable small level of lateral radiation in the high frequency region, and thereby make the antenna as high-frequency as possible.

Печатное исполнение логопериодических структур упрощает конструкцию антенны, уменьшает ее металлоемкость и массу. Современная прогрессивная технология фотохимического травления обеспечивает хорошую повторяемость геометрических размеров логопериодических структур, высокую технологичность и стабильность радиотехнических характеристик антенны.The printed version of log-periodic structures simplifies the design of the antenna, reduces its metal consumption and mass. Modern progressive technology of photochemical etching provides good repeatability of the geometric dimensions of log-periodic structures, high adaptability and stability of the radio technical characteristics of the antenna.

Таким образом, изготовление обеих логопериодических структур антенны в виде печатной платы на одной стороне пластины гибкого фольгированного диэлектрика решает поставленную задачу и обеспечивает достижение требуемого технического результата - расширение рабочего диапазона частот антенны в область верхних частот.Thus, the manufacture of both log-periodic structures of the antenna in the form of a printed circuit board on one side of a flexible foil dielectric plate solves the problem and ensures the achievement of the desired technical result - the expansion of the working frequency range of the antenna in the high frequency region.

Сверхширокополосные ЛПА с двумя логопериодическими структурами, выполненными в виде печатной платы на одной стороне пластины гибкого фольгированного диэлектрика, изготовлены, проверены и используются в автоматизированной системе контроля (АСК) и в антенной системе станции радиотехнического контроля (СРТК).Ultra-wideband LPA with two log-periodic structures, made in the form of a printed circuit board on one side of a flexible foil dielectric plate, are manufactured, tested and used in an automated control system (ASK) and in the antenna system of a radio control station (SRTK).

Сверхширокополосная ЛПА работает в непрерывном диапазоне частот от 1 до 32 ГГц. Антенна имеет удовлетворительные осесимметричные диаграммы направленности с шириной, изменяющейся от 100° в нижней части рабочего диапазона частот до 35° в его верхней части. Отклонение диаграммы направленности от продольной оси антенны в основном не более 10°. Уровень бокового излучения (боковые и задние лепестки диаграммы направленности) не превышает 5%. В верхней части диапазона частот выше 26 ГГц диаграммы направленности имеют небольшие вполне допустимые искажения, глубина которых менее 1,9 дБ. В целом антенна работоспособна в УВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонах частот с перекрытием 32:1.Ultra-wideband LPA operates in the continuous frequency range from 1 to 32 GHz. The antenna has satisfactory axisymmetric radiation patterns with a width varying from 100 ° in the lower part of the operating frequency range to 35 ° in its upper part. The deviation of the radiation pattern from the longitudinal axis of the antenna is generally not more than 10 °. The level of lateral radiation (side and rear lobes of the radiation pattern) does not exceed 5%. In the upper part of the frequency range above 26 GHz, the radiation patterns have small quite acceptable distortions, the depth of which is less than 1.9 dB. In general, the antenna is operational in the UHF, microwave and EHF frequency ranges with an overlap of 32: 1.

Claims

An ultra-wide band log-periodic antenna containing two identical metal log-periodic structures installed at an angle to each other, a support housing and a power line, characterized in that both log-periodic structures are made in the form of a printed circuit board on one side of a flexible foil dielectric plate bent at the vertices of the structures to the required angle.