2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В основу конструкции логопериодической антенны положен принцип электродинамического подобия. Согласно этому принципу электрические характеристики антенны остаются неизменными при изменении рабочей длины волны в раз, если при этом также в раз изменяются геометрические размеры антенны.

Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет следующую конструкцию (рис.2.1).

Рис.2.1. Схема плоской логопериодической антенны коротковолнового диапазона

К двухпроводной линии присоединены симметричные вибраторы, длина которых и расстояние между которыми растут по мере удаления от начала антенны, так что все вибраторы являются подобными. Коэффициент подобия, называемый безразмерным периодом структуры, τ равен

, (2.1)

где - длина плеча i –го вибратора,

- расстояние от вершины до i –го вибратора.

Точками входа антенны являются зажимы первого, самого малого вибратора. К этим зажимам подключается фидер. Остальные вибраторы запитываются с помощью распределительной длинной линии, провода которой перекрещиваются в промежутках между вибраторами. Линии соединяющие концы вибратора, образуют угол полотна антенны α.

Рассмотрим принцип действия логопериодической вибраторной антенны.

Электромагнитная волна, распространяющаяся в распределительной линии от малых вибраторов к большим, возбуждает вибраторы различно.

Вибраторы, длина которых оказываются много меньше половины длины волны (), возбуждаются слабо и, следовательно, практически не излучают, поскольку их входные сопротивления характеризуются малой активной составляющей и чрезвычайно большой отрицательной реактивной составляющей. Затухание электромагнитной волны в распределительной линии в области малых вибраторов почти отсутствует.

Вибраторы, длины которых оказываются приблизительно равными половине длины волны () интенсивно возбуждаются, поскольку их входное сопротивление характеризуется небольшой активной составляющей () и очень малой реактивной составляющей. В этих вибраторах возбуждаются большие токи и они излучают электромагнитные волны.

Вибраторы, длина которых оказываются много больше половины длины волны (), возбуждаются сравнительно слабо из-за значительной реактивной составляющей входного сопротивления.

Благодаря резкому уменьшению токов в вибраторах по мере их удаления от резонансного, излученное поле, в основном, определяется резонансным и ближайшими к нему вибраторами, которые образуют активную область антенны.

При увеличении длины волны активная область смещается в сторону более длинных вибраторов, а при уменьшении длины волны – в сторону более коротких вибраторов.

Таким образом, на определенной частоте интенсивно излучают только три – шесть вибраторов, длины которых приблизительно равны половине длины волны. Диаграмма направленности антенны определяется, в основном, амплитудно-фазовым распределением токов в вибраторах активной зоны. Оно оказывается подобным амплитудно-фазовому распределению токов в вибраторах директорной антенны. Поэтому диаграмма направленности логопериодической антенны подобна диаграмме направленности директорной антенны. Очевидно, что вибраторы, расположенные дальше резонансного (более длинные), работают в режиме рефлекторов, а расположенные ближе к точкам питания – в режиме директоров. Напомним, что фазы токов в вибраторах должны отставать в направлении излучения. Напряженность поля излучения максимальна в направлении оси антенны в сторону малых вибраторов.

Поскольку вибраторы, находящиеся к точкам питания ближе чем резонансный, короче него, то их входные сопротивления имеют емкостной характер и токи, наводимые в этих вибраторах резонансным вибратором, отстают по фазе от тока в последнем. Однако, вследствие того, что более короткий вибратор находится ближе к точкам питания, чем резонансный, но возбуждается раньше резонансного вибратора, что компенсирует отставание фазы тока в нем. Для получения отставания фаз токов в направлении излучения делается перекрещивание по питанию (фазы токов в соседних вибраторах сдвигаются на 180⁰ из-за их подключения к различным проводам распределительного фидера).

Входное сопротивление антенны определяется собственными и наведенными сопротивлениями вибраторов, входящих в активную зону, и волновым сопротивлением распределительной линии. В зависимости от конструктивного выполнения антенны оно колеблется от 60 до 140 Ом.

При использовании логарифмической шкалы резонансные частоты повторяются через одинаковые интервалы, равные lnτ, что и определило название антенны.

На частотах, лежащих в промежутке между резонансными частотами, электрические характеристики антенны будут отличаться от соответствующих характеристик на резонансных частотах.

Согласно принципу электродинамического подобия, амплитудно-фазовое распределение токов в вибраторах активной зоны, независимо от ее места нахождения, будет одинаковым. Это означает, что на всех резонансных частотах диаграмма направленности и входное сопротивление логопериодической антенны будут одинаковыми.

Увеличение τ (в некоторых пределах) при неизменном α сужает диаграмму направленности, так как увеличивается число вибраторов, входящих в активную область, это объясняется тем, что чем больше τ, тем меньше отличаются по длине соседние вибраторы друг от друга и, следовательно, и токи вибраторов по мере их удаления от резонансного затухают слабее. Однако при больших значениях τ направленные свойства начинают ухудшаться, так как при этом ширина активной области уменьшается.

Уменьшение угла α (при неизменном τ) до некоторого определенного значения, зависящего от τ, сужает диаграмму направленности, так как при этом увеличивается расстояние между соседними вибраторами, т.е. активная область расширяется.

Предельные значения и .

Диаграмма направленности плоской ЛПА в плоскости Е уже, чем в плоскости Н. Для сужения диаграммы направленности в плоскости Н делают пространственные логопериодические антенны.

Таким образом, логопериодическая вибраторная антенна является линейно-поляризованной антенной, сохраняющей почти неизменными свои электрические параметры в широкой полосе частот, границы которой определяются размерами крайних вибраторов.

Логопериодическая антенна УКВ диапазона (рис. 2.2), состоит из линейных вибраторов, присоединенных к двухпроводной линии. Возбуждение осуществляется с помощью коаксиального кабеля, проложенного внутри одного из проводов двухпроводной линии, изготовленной из трубок. Подобный переход от коаксиальной к двухпроводной линии не требует симметрирующего устройства. Длины вибраторов также удовлетворяют условию l_n/l_n+1 = τ. Принцип действия тот же, что и антенны КВ диапазона.

Рис.2.2. Логопериодическая антенна УКВ диапазона