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

l_n /l_n+1 =τ, (10.1)

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

f_n =τⁿ⁻¹f₁, (10.2)

где n — номер вибратора; f_n — 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 lnf_n=(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 (λ_mах≈4l_mах), а сверху — возможной точностью выполнения вибраторов вблизи точек питания (λ_min≈4l_min). ЛПА может сохранять практически неизменную форму ДН в почти десятикратном диапазоне частот (f_max/f_min≤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 τ_mах≈0,95 и α_min≈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].