RU2299503C1

RU2299503C1 - Linear antenna array

Info

Publication number: RU2299503C1
Application number: RU2005134931/09A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Григорьевич Коновалов (RU); Анатолий Григорьевич Коновалов; Павел Александрович Косинский (RU); Павел Александрович Косинский; Анатолий Иванович Захаренков (RU); Анатолий Иванович Захаренков
Original assignee: Войсковая часть 45807
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-20

Abstract

FIELD: antenna engineering.

SUBSTANCE: newly introduced in original strip of N super-broadband longitudinally radiating components spaced d = λ_max/2 apart, operating frequency range of strip being F_l to F_hconstituting M octaves, are P = M - 1 strips of super-broadband longitudinally radiating components similar to those of original strip and disposed between longitudinal axes of original-strip extreme components in same plane, with tops uniformly disposed along common line, their high value of boundary frequency F_hbeing common with that of original strip. Low values F_li of newly introduced strips grow with strip number obeying F_li - 2iF_l law, where i = 1, 2, 3 ...; M -1 is number of introduced strip at initial moment of reading from disposition line of bases of super-broadband longitudinally radiating components of original strip to their top. Quantity of n_i components in newly introduced strips grows with strip number obeying n_i = (N - 1)2^{(i - 1)} law.

EFFECT: enlarged operating frequency range, enhanced gain with frequency increase at same linear dimensions.

1 cl, 2 dwg

Description

Линейная антенная решетка относится к области антенной техники и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной сверхширокополосной антенной решетки, либо в качестве элемента более сложных систем.A linear antenna array belongs to the field of antenna technology and can be used in various radio systems as an independent ultra-wideband antenna array, or as an element of more complex systems.

Известна антенная решетка [Сверхширокополосные антенны. Перевод с англ. под. ред. Л.С.Бененсона, "Мир", М. 1964 г. 416 с., стр.250-276], содержащая N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (логопериодических вибраторных антенн), включенных параллельно, в которой, для обеспечения частотной независимости ее характеристик направленности, сверхширокополосные продольноизлучающие элементы расположены радиально вершинами в общей точке, т.е. под некоторыми углами друг к другу. Такое расположение сверхширокополосных продольноизлучающих элементов обеспечивает постоянство электрического расстояния между их фазовыми центрами в диапазоне рабочих частот и, как следствие, постоянство характеристик направленности антенной решетки.Known antenna array [Ultra-wideband antennas. Translation from English under. ed. LS Benenson, Mir, M. 1964, 416 pp., Pp. 250-276], containing N ultra-wideband longitudinally radiating elements (log-periodic vibrating antennas) connected in parallel, in which, to ensure the frequency independence of its directivity characteristics , ultra-wideband longitudinally radiating elements are located radially by vertices at a common point, i.e. at some angles to each other. Such an arrangement of ultra-wideband longitudinally radiating elements ensures a constant electric distance between their phase centers in the range of operating frequencies and, as a result, a constant directivity of the antenna array.

Существенным недостатком такой антенной решетки является относительно низкий коэффициент усиления. Это обусловлено тем, что максимально возможное число сверхширокополосных продольноизлучающих элементов ограничено угловым сектором между крайними сверхширокополосными продольноизлучающими элементами, который не должен превышать ширину диаграммы направленности сверхширокополосного продольноизлучающего элемента, а угол между соседними сверхширокополосными продольноизлучающими элементами должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимое расстояние между их фазовыми центрами. Кроме того, коэффициент усиления этой антенной решетки практически не меняется с ростом частоты. В большинстве же практических случаев необходимо, чтобы коэффициент усиления возрастал с ростом частоты, что позволило бы скомпенсировать возрастающие с ростом частоты (пропорционально квадрату частоты) потери на распространение радиоволн и потери в линиях питания. В идеальном случае величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте должна превышать величину необходимого коэффициента усиления на нижней граничной частоте в (F_в/F_н)² раз, где F_в, F_н - верхняя и нижняя граничная частота рабочего диапазона, соответственно.A significant drawback of such an antenna array is the relatively low gain. This is due to the fact that the maximum possible number of ultrawideband longitudinally radiating elements is limited by the angular sector between the extreme ultrawideband longitudinally radiating elements, which should not exceed the width of the radiation pattern of the ultrawideband longitudinally radiating element, and the angle between adjacent ultrawideband longitudinally radiating elements should be large enough to provide the necessary distance between their phase centers. In addition, the gain of this antenna array remains virtually unchanged with increasing frequency. In most practical cases, it is necessary that the gain increase with increasing frequency, which would compensate for the increase in frequency (proportional to the square of the frequency) losses due to the propagation of radio waves and losses in the power lines. In the ideal case, the magnitude of the gain at the upper cut-off frequency should exceed the value of the necessary gain at the lower cut-off frequency by (F _in / F _n ) ² times, where F _in , F _n are the upper and lower cut-off frequencies of the operating range, respectively.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является антенная решетка [Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. "Энергия", М. 1973. 440 с., стр.218-222], выбранная в качестве прототипа, содержащая исходную линейку из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов с рабочим диапазоном частот от F_н до F_в, охватывающим М октав, продольные оси которых лежат в одной плоскости, а вершины расположены равномерно вдоль общей линии на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, где F_н - нижняя граничная частота, F_в - верхняя граничная частота, λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, М=log₂(F_в/F_н) - целое число. С целью обеспечения широкополосности используется К таких линеек (рядов) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных по образующим цилиндрической поверхности так, чтобы вершины всех (K×N) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов разместились равномерно по оси цилиндра. Каждая линейка смещена по оси цилиндра относительно соседних линеек на расстояние d/K. При этом во всем рабочем диапазоне частот расстояние между фазовыми центрами С_ц соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов находится в пределах 0,5λ≤С_ц<λ. Рабочий диапазон частот таких антенных решеток достигает трех с лишним октав (F_в/F_н≈10). При таком расположении сверхширокополосных продольноизлучающих элементов отсутствует ограничение на их количество в линейке, и, следовательно, возможно значительное увеличение коэффициента усиления антенной решетки. Однако предложенное техническое решение применимо лишь для случая плоских сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, что ограничивает возможности его использования.The closest in technical essence to the claimed invention is an antenna array [Zhuk M.S., Molochkov Yu.B. Design of lens, scanning, wide-range antennas and feeder devices. "Energy", M. 1973. 440 pp., Pp. 218-222], selected as a prototype, containing an initial line of N ultra-wideband radiating elements with a working frequency range from F _n to F _in , covering M octaves, the longitudinal axis of which lie in the same plane, and the vertices are evenly distributed along a common line at a distance d = λ _max / 2 from each other, where F _n is the lower boundary frequency, F _in is the upper boundary frequency, λ _max is the maximum wavelength of the working frequency range, M = log ₂ (F _in / F _n ) is an integer. In order to ensure broadband, K such rulers (rows) of ultrawideband longitudinally radiating elements located along the generatrices of the cylindrical surface are used so that the vertices of all (K × N) ultrawideband longitudinally radiating elements are placed uniformly along the cylinder axis. Each ruler is offset along the axis of the cylinder relative to neighboring rulers by a distance d / K. Moreover, in the entire working frequency range, the distance between the phase centers C _{c of} adjacent ultrawideband longitudinally radiating elements is within 0.5λ≤C _c <λ. The operating frequency range of such antenna arrays reaches three-odd octaves (F _in / F _n ≈10). With this arrangement of ultra-wideband longitudinally radiating elements, there is no restriction on their number in the line, and, therefore, a significant increase in the gain of the antenna array is possible. However, the proposed technical solution is applicable only for the case of flat ultrawideband longitudinally radiating elements, which limits the possibility of its use.

Существенным недостатком этой антенной решетки является то, что диапазон рабочих частот каждой из К линеек сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (как и у обычных линейных решеток) не превышает октавы, а сверхширокополосность антенной решетки в целом достигается лишь за счет перехода от линейной антенной решетки к пространственной и, как следствие, к существенному увеличению ее габаритов, что далеко не всегда приемлемо. Кроме того, существенным недостатком как первой, так и второй известных антенных решеток является ограниченный рост их коэффициента усиления с ростом частоты, что особенно негативно сказывается при работе в многооктавном диапазоне рабочих частот. Реальная величина коэффициента усиления первой известной антенной решетки практически не меняется с ростом частоты, а второй, известной антенной решетки, возрастает весьма незначительно, в частности величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте F_в превышает величину коэффициента усиления на нижней граничной частоте F_н не более чем вдвое.A significant drawback of this antenna array is that the operating frequency range of each of the K lines of ultrawideband radiating elements (as with conventional linear arrays) does not exceed an octave, and the ultrawideband antenna array as a whole is achieved only by switching from a linear antenna array to spatial and, as a result, a significant increase in its dimensions, which is far from always acceptable. In addition, a significant drawback of both the first and second known antenna arrays is the limited increase in their gain with increasing frequency, which is especially negative when working in a multi-octave operating frequency range. The actual value of the gain of the first known array antenna almost does not change with increasing frequency, and the second known antenna array increases only slightly, in particular the value of the gain on the upper cutoff frequency F _a exceeds the value of the gain on the lower boundary frequency F _n is not more than twice.

Техническая задача изобретения заключается в расширении диапазона рабочих частот линейной антенной решетки и обеспечении увеличения ее коэффициента усиления с ростом частоты при сохранении линейных размеров.The technical task of the invention is to expand the operating frequency range of a linear antenna array and to provide an increase in its gain with increasing frequency while maintaining linear dimensions.

Указанная задача достигается тем, что в известное устройство, содержащее исходную линейку из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов с диапазоном рабочих частот от F_н до F_в, составляющим М октав, продольные оси которых лежат в одной плоскости, а вершины расположены равномерно вдоль общей линии на расстоянии d=λ_max/2 друг от друга, где F_н - нижняя граничная частота, F_в - верхняя граничная частота, λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, M=log₂(F_в/F_н) - целое число, согласно изобретению введено Р=М-1 линеек аналогичных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой сверхширокополосных продольноизлучающих элементов верхнюю граничную частоту F_в, а их нижние граничные частоты F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi;=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки к их вершине, при этом количество n_i сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1).This task is achieved by the fact that in a known device containing an initial line of N ultra-wideband radiating elements with a range of operating frequencies from F _n to F _in component M octaves, the longitudinal axes of which lie in the same plane, and the vertices are evenly spaced along a common line at a distance d = λ _max / 2 from each other, where F _n is the lower cutoff frequency, F _in is the upper cutoff frequency, λ _max is the maximum wavelength of the working frequency range, M = log ₂ (F _in / F _n ) is an integer, according to the invention introduced P = M-1 rulers are similar x ultrawideband longitudinally radiating elements located between the longitudinal axes of extreme ultrawideband longitudinally radiating elements of the original ruler, in the same plane, uniformly with vertices along a common line, having the upper boundary frequency F _in common with the original ruler of ultrawidebanding longitudinal elements, and their lower boundary frequencies F _ni increase with an increase in the number of the ruler according to the law F _ni ; = 2 ⁱ F _n , where i = 1, 2, 3 ... M-1 is the number of the introduced ruler at the origin from the line the longitudinal longitudinal-radiating elements of the original line to their top, while the number n _{i of} ultra-wide longitudinal-radiating elements in the introduced lines increases with the number of the line according to the law n _i = (N-1) 2 ^(i-1) .

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная линейная антенная решетка отличается введением Р=М-1 линеек аналогичных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, расположенных между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки, в той же плоскости, равномерно вершинами вдоль общей линии, имеющих общую с исходной линейкой сверхширокополосных продольноизлучающих элементов верхнюю граничную частоту F_в, а их нижние граничные частоты F_нi возрастают с ростом номера линейки по закону F_нi=2ⁱF_н, где i=1, 2, 3 ... М-1 - номер введенной линейки при начале отсчета от линии расположения оснований сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки к их вершине, при этом количество n_i сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках возрастает с ростом номера линейки по закону n_i=(N-1)2^(i-1).Comparative analysis with the prototype shows that the proposed linear antenna array is distinguished by the introduction of P = M-1 lines of similar ultra-wideband longitudinally radiating elements located between the longitudinal axes of the extreme ultra-wideband longitudinally radiating elements of the original line, in the same plane, uniformly with vertices along a common line with the original line line elements ultrawideband prodolnoizluchayuschih upper cutoff frequency F _a, and the lower boundary of the frequency F increases with increasing _HI but EPA line _HI by law F = ⁱ F 2 _n, where i = 1, 2, 3 ... M-1 - line number entered at the start of the location reference line bases ultrawideband prodolnoizluchayuschih initial line elements to their top, with the number n _{i of} ultra-wideband longitudinally radiating elements in the introduced rulers increases with the number of the ruler according to the law n _i = (N-1) 2 ^(i-1) .

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".Thus, the invention meets the criteria of the invention of "novelty."

Анализ известных технических решений в исследуемой области и смежных с ней позволяет сделать вывод, что введенные сверхширокополосные продольноизлучающие элементы известны. Однако введение их в линейную антенную решетку, содержащую исходную линейку сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, указанным образом, выбор их параметров и количества по предложенному закону обеспечивает линейной антенной решетке такое новое свойство, как увеличение коэффициента усиления с ростом частоты и расширение диапазона рабочих частот при сохранении ее линейных размеров, что обеспечивает получение положительного эффекта.An analysis of the known technical solutions in the study area and adjacent to it allows us to conclude that the introduced ultra-wideband longitudinally radiating elements are known. However, their introduction into a linear antenna array containing the initial line of ultra-wideband longitudinally radiating elements, in the indicated manner, the choice of their parameters and quantity according to the proposed law provides the linear antenna array with such a new property as an increase in gain with increasing frequency and an extension of the operating frequency range while maintaining its linear sizes, which provides a positive effect.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.The invention has an inventive step, since it does not explicitly follow from the prior art for a specialist.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.The invention is industrially applicable, as it can be used in various fields of national economy.

Сущность изобретения поясняется посредством фиг.1-2 и последующего описания.The invention is illustrated by means of figures 1-2 and the following description.

На фиг.1 представлен общий вид линейной антенной решетки;Figure 1 presents a General view of a linear antenna array;

на фиг.2 - измеренные значения коэффициента усиления.figure 2 - the measured values of the gain.

Линейная антенная решетка (фиг.1) содержит исходную линейку ИЛ из N сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN, например логопериодических вибраторных антенн, конических спиральных антенн, логоспиральных конических антенн и др., с диапазоном рабочих частот от F_н до F_в, составляющим три октавы (М=3, F_в=8F_н). При этом, для иллюстрации, на фиг.1 изображена линейная антенная решетка логопериодических вибраторных антенн. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы A1...AN исходной линейки ИЛ расположены равномерно вершинами вдоль линии OO на расстоянии d=λ_max/2, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона частот, друг от друга, а их продольные оси лежат в одной плоскости. В промежутке между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и AN исходной линейки ИЛ, в той же плоскости, размещается равномерно вершинами на линии OO первая введенная линейка Л1 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ с диапазоном рабочих частот от 2F_н до F_в. При этом сверхширокополосные продольноизлучающие элементы B1...Bn₁ линейки Л1 расположены между продольными осями соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN исходной линейки ИЛ, т.е. между А1 и А2 расположен В1, между А2 и A3-В2 и т.д. Это становится возможным, поскольку нижняя граничная частота сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1 вдвое выше нижней граничной частоты (F_н1=2¹F_н=2F_н) сверхширокополосных продольноизлучающих элементов A1...AN исходной линейки ИЛ, следовательно, их максимальный поперечный размер вдвое меньше поперечного размера сверхширокополосных продольноизлучающих элементов исходной линейки ИЛ. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1 составляет n₁=(N-1)2^(1-1)=N-1. Расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и B1, B1 и А2, А2 и В2 и т.д., линейной антенной решетки образованной линейками ИЛ и Л1 при работе в области второй октавы (от 2F_н до 4F_н), составляет d1=λ_max1/2, где λ_max1 длина волны на нижней граничной частоте F_н1 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов В1...Bn₁ линейки Л1.The linear antenna array (figure 1) contains the original line of IL from N ultra-wideband longitudinally radiating elements A1 ... AN, for example log-periodic vibrating antennas, conical helical antennas, log-helical conical antennas, etc., with a working frequency range from F _n to F _in , comprising three octaves (M = 3, F _in = 8F _n ). In this case, for illustration, figure 1 shows a linear antenna array of log-periodic vibrator antennas. Ultrawideband longitudinally radiating elements A1 ... AN of the original IL line are arranged uniformly by vertices along the OO line at a distance d = λ _max / 2, where λ _max is the maximum wavelength of the working frequency range from each other, and their longitudinal axes lie in the same plane. In the interval between the longitudinal axes of the extreme ultra-wideband longitudinally radiating elements A1 and AN of the original IL line, in the same plane, the first introduced line L1 of ultra wideband longitudinally radiating elements B1 ... Bn ₁ with the operating frequency range from 2F _n to F _in . In this case, the ultrawideband longitudinally radiating elements B1 ... Bn _{1 of the} line L1 are located between the longitudinal axes of adjacent ultrawideband longitudinally radiating elements A1 ... AN of the original IL line, i.e. B1 is located between A1 and A2, between A2 and A3-B2, etc. This becomes possible because the lower boundary frequency of the ultra-wideband longitudinally _radiating elements B1 ... Bn ₁ of the L1 line is twice as high as the lower boundary frequency (F _n1 = 2 ¹ F _n = 2F _n ) of the ultra-wideband longitudinally _radiating elements A1 ... AN of the original IL, therefore, their maximum transverse dimension is half that of the ultra-wideband longitudinally radiating elements of the original IL line. The number of ultra-wideband longitudinally radiating elements B1 ... Bn ₁ of the L1 line is n ₁ = (N-1) 2 ^(1-1) = N-1. The distance between the phase centers of adjacent ultrawideband radiating elements A1 and B1, B1 and A2, A2 and B2, etc., of the linear antenna array formed by the IL and L1 lines when operating in the second octave region (from 2F _n to 4F _n ), is d1 = λ _max1 / 2, where λ _max1 is the wavelength at the lower boundary frequency F _{n1 of the} ultra-wideband longitudinally _radiating elements B1 ... Bn _{1 of the} line L1.

В промежутке между продольными осями крайних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и AN исходной линейки ИЛ, в той же плоскости равномерно вершинами на линии OO, размещается вторая линейка Л2 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ с диапазоном рабочих частот от 4F_н до F_в, с нижней граничной частотой (F_н2=2F_н1=4F_н) вдвое выше нижней граничной частоты сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1, следовательно, их максимальный поперечный размер вдвое меньше максимального поперечного размера сверхширокополосных продольноизлучающих элементов B1...Bn₁ линейки Л1. Это позволяет размещать сверхширокополосные продольноизлучающие элементы С1...Cn₂ линейки Л2 между продольными осями соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и B1, B1 и А2, А2 и В2 и т.д. линеек ИЛ и Л1. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ линейки Л2 составляет n₂=(N-1)2^(2-1)=2N-2. Общее количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов образованной линейной антенной решетки при работе в области третьей октавы (от 4F_н до F_в) равно сумме сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно. Расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1 и C1, C1 и B1, B1 и C2, С2 и А2, А2 и С3, С3 и В2 и т.д. линейной антенной решетки образованной линейками ИЛ, Л1 и Л2, составляет d₂=λ_max2/2, где λ_max2 - длина волны на нижней граничной частоте F_н2 сверхширокополосных продольноизлучающих элементов С1...Cn₂ линейки Л2.Between the longitudinal axes of the extreme ultra-wideband longitudinally radiating elements A1 and AN of the original IL line, uniformly vertices on the OO line, the second line L2 of ultra wideband longitudinally radiating elements C1 ... Cn ₂ with the operating frequency range from 4F _n to F _c , is placed in the same plane with the lower cutoff frequency (F _H1 _H2 = 2F = 4F _n) twice the lower frequency limit ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements B1 ... Bn ₁ line L1, consequently, their maximum transverse dimension is less than twice the maximum transverse p zmera ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements B1 ... Bn ₁ line L1. This makes it possible to place ultrawideband longitudinally radiating elements C1 ... Cn _{2 of the} line L2 between the longitudinal axes of adjacent ultrawideband longitudinally radiating elements A1 and B1, B1 and A2, A2 and B2, etc. rulers IL and L1. The number of ultra-wideband longitudinally radiating elements C1 ... Cn ₂ of the L2 line is n ₂ = (N-1) 2 ^(2-1) = 2N-2. Total ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements formed by a linear array antenna when operating in the third octave (from F to 4F _N _c) equal to the sum of ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements A1 ... AN, B1 ... Bn ₁ and C1 ... Cn IL ₂ lines, L1 and L2, respectively. The distance between the phase centers of adjacent ultrawideband radiating elements A1 and C1, C1 and B1, B1 and C2, C2 and A2, A2 and C3, C3 and B2, etc. the linear antenna array formed by the lines of IL, L1 and L2 is d ₂ = λ _max2 / 2, where λ _max2 is the wavelength at the lower boundary frequency F _{n2 of} ultra-wideband longitudinally _radiating elements C1 ... Cn _{2 of the} line L2.

В линейной антенной решетке используется параллельное питание сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, например, с помощью многоканального делителя мощности ДМ.In a linear antenna array, parallel power supply of ultra-wideband longitudinally radiating elements is used, for example, using a multi-channel power divider DM.

Линейная антенная решетка работает следующим образомThe linear antenna array operates as follows

Энергия сигнал-генератора, включенного на вход многоканального делителя мощности ДМ, распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами А1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно. При этом, если частота сигнал-генератора находится в области первой октавы (от F_н до 2F_н) диапазона рабочих частот, то энергия распределяется преимущественно между N сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN исходной линейки ИЛ. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы В1...Bn₁ линейки Л1 и С1...Cn₂ линейки Л2 практически не потребляют энергии сигнал-генератора, так как их нижняя граничная частота и, как следствие, область резонансных частот, выше частоты сигнал-генератора, поэтому они не возбуждаются и не принимают участие в формировании диаграммы направленности. Коэффициент усиления линейной антенной решетки при перестройке частоты сигнал-генератора в области первой октавы с ростом частоты растет примерно вдвое, что обусловлено изменением с ростом частоты электрического расстояния между фазовыми центрами d соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов А1...AN исходной линейки ИЛ от d=λ_max/2 на частоте сигнал-генератора F_н до d=λ на частоте 2F_н.The energy of the signal generator included at the input of the DM multi-channel power divider is distributed between ultra-wideband longitudinal-emitting elements A1 ... AN, B1 ... Bn ₁ and C1 ... Cn _{2 of the} lines of IL, L1 and L2, respectively. Moreover, if the frequency of the signal generator is in the region of the first octave (from F _n to 2F _n ) of the operating frequency range, then the energy is distributed predominantly between N ultra-wideband longitudinal-emitting elements A1 ... AN of the original IL line. The ultra-wideband longitudinally radiating elements B1 ... Bn ₁ of the L1 line and C1 ... Cn ₂ of the L2 line practically do not consume signal-generator energy, since their lower cut-off frequency and, as a result, the region of resonant frequencies are higher than the signal-generator frequency, therefore they are not excited and do not participate in the formation of the radiation pattern. The gain of the linear antenna array during the tuning of the signal-generator frequency in the region of the first octave increases approximately twofold with increasing frequency, which is caused by a change in the electric distance between the phase centers d of the neighboring ultra-wideband longitudinal-emitting elements A1 ... AN of the original IL line from d = λ with increasing frequency _max / 2 at the frequency of the signal generator F _n to d = λ at a frequency of 2F _n

При перестройке частоты сигнал-генератора в область второй октавы (от 2F_н до 4F_н) диапазона рабочих частот энергия сигнал генератора преимущественно распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN исходной линейки ИЛ и сверхширокополосными продольноизлучающими элементами B1...Bn₁ линейки Л1. Сверхширокополосные продольноизлучающие элементы С1...Cn₂ линейки Л2 не возбуждаются и не принимают участие в формировании диаграммы направленности. При этом, несмотря на увеличение количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, участвующих в формировании диаграммы направленности, на частоте F_н1=2F_н, роста коэффициента усиления не происходит, так как электрическая длина образованной сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN и B1...Bn₁ линейной антенной решетки остается неизменной, а расстояние между их фазовыми центрами уменьшается от d=λ_max1 до d₁=λ_max1/2, где λ_max1 - длина волны на частоте 2F_н, что исключает возможность появления дифракционных лепестков диаграммы направленности. При перестройке сигнал-генератора в области второй октавы от 2F_н до 4F_н коэффициент усиления вновь возрастает примерно вдвое, так как вдвое увеличивается электрическое расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов линеек ИЛ и Л1, т.е. между А1 и В1, В1 и А2, А2 и В2 и т.д., от d₁=λ_max1/2 на частоте 2F_н до d₁=X, на частоте 4F_н и, как следствие, вдвое увеличивается электрическая длина линейной антенной решетки в целом.When the frequency of the signal generator is tuned to the region of the second octave (from 2F _n to 4F _n ) of the operating frequency range, the energy of the generator signal is predominantly distributed between the ultrawideband longitudinally radiating elements A1 ... AN of the original IL line and the ultrawideband longitudinally radiating elements B1 ... Bn _{1 of the} line L1 . Ultrawideband longitudinally radiating elements C1 ... Cn ₂ of the L2 line are not excited and do not participate in the formation of the radiation pattern. Thus, despite the increased number of ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements involved in the formation of the radiation pattern at a frequency F = 2F _n _H1, growth amplification factor does not occur, since the electrical length formed ultrabroadband prodolnoizluchayuschimi elements A1 ... AN and B1 ... Bn _{1 of the} linear antenna array remains unchanged, and the distance between their phase centers decreases from d = λ _max1 to d ₁ = λ _max1 / 2, where λ _max1 is the wavelength at a frequency of 2F _n , which eliminates the possibility of the appearance of diffraction lobes d directional patterns. When the signal generator is rearranged in the region of the second octave from 2F _n to 4F _n, the gain again increases approximately by a factor of two, since the electric distance between the phase centers of the adjacent ultra-wideband longitudinally radiating elements of the IL and L1 lines doubles, i.e. between A1 and B1, B1 and A2, A2 and B2, etc., from d ₁ = λ _max1 / 2 at a frequency of 2F _n to d ₁ = X, at a frequency of 4F _n and, as a result, the linear electric length doubles antenna array as a whole.

При перестройке частоты сигнал-генератора в область третьей октавы (от 4F_н до F_в) энергия сигнал генератора распределяется между сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN, B1...Bn₁ и С1...Cn₂ линеек ИЛ, Л1 и Л2 соответственно, которые принимают участие в излучении и в формировании диаграммы направленности. При этом на переходной из второй октавы в третью октаву частоте F_н2=4F_н наблюдается постоянство коэффициента усиления, несмотря на увеличение количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов, участвующих в формировании диаграммы направленности на частоте F_н2=4F_н, так как электрическая длина образованной сверхширокополосными продольноизлучающими элементами A1...AN, В1...Bn₁ и С1...Cn₂ линейной антенной решетки остается неизменной, а расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов линеек ИЛ, Л1 и Л2, т.е. между А1 и С1, С1 и В1, В1 и С2, С2 и А2, А2 и С3, С3 и В2 и т.д., уменьшается от d₁=λ_max2 до d₂=λ_max2/2, где λ_max2 - длина волны на частоте 4F_н. При перестройке сигнал-генератора в области третьей октавы от 4F_н до 8F_н коэффициент усиления вновь возрастает примерно вдвое, так как вдвое увеличивается электрическое расстояние между фазовыми центрами соседних сверхширокополосных продольноизлучающих элементов от d₂=λ_max2/2 на частоте 4F_н до d₂=λ на частоте 8F_н, и, как следствие, вдвое увеличивается электрическая длина линейной антенной решетки в целом.When the frequency of the signal generator is tuned to the region of the third octave (from 4F _n to F _c ), the energy of the generator signal is distributed between the ultra-wideband longitudinally radiating elements A1 ... AN, B1 ... Bn ₁ and C1 ... Cn _{2 of the} lines IL, L1 and L2, respectively, which take part in the radiation and in the formation of the radiation pattern. At the same time, at the transition frequency from the second octave to the third octave, the frequency F _n2 = 4F _n , the gain is constant, despite the increase in the number of ultrawideband longitudinally _radiating elements participating in the formation of the radiation pattern at the frequency F _n2 = 4F _n , since the electric length formed by the ultrawideband longitudinally _radiating elements A1 ... AN, B1 ... Bn ₁ and C1 ... Cn _{2 of the} linear antenna array remains unchanged, and the distance between the phase centers of adjacent ultra-wideband longitudinally radiating elements rulers IL, L1 and L2, i.e. between A1 and C1, C1 and B1, B1 and C2, C2 and A2, A2 and C3, C3 and B2, etc., decreases from d ₁ = λ _max2 to d ₂ = λ _max2 / 2, where λ _max2 - wavelength at a frequency of 4F _N. When the signal generator is tuned in the region of the third octave from 4F _n to 8F _n, the gain again increases approximately by a factor of two, since the electric distance between the phase centers of neighboring ultrawideband longitudinal- _{emitting elements doubles} from d ₂ = λ _max2 / 2 at a frequency of 4F _n to d ₂ = λ at a frequency of 8F _n , and, as a result, the electric length of the linear antenna array as a whole doubles.

Таким образом, при перестройке сигнал-генератора от F_н до 8F_н происходит последовательное увеличение коэффициента усиления с ростом частоты примерно в 8 раз, за счет увеличения электрического расстояния между фазовыми центрами сверхширокополосных продольноизлучающих элементов от d=λ/2 до d=λ в каждой октавной полосе частот, при этом линейный размер линейной антенной решетки не изменяется, а ее электрическая длина растет пропорционально частоте.Thus, when restructuring the signal generator from F _n to 8F _n are sequentially increase the gain with increasing frequency of approximately 8 times, due to increased electrical distance between the phase centers ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements by d = λ / 2 and d = λ in each octave frequency band, while the linear size of the linear antenna array does not change, and its electric length increases in proportion to the frequency.

Проверка предложенного технического решения осуществлялась на макете линейной антенной решетки с трехоктавным диапазоном рабочих частот (F_в/F_н=8, М=3), состоящей из трех линеек. В качестве сверхширокополосного продольноизлучающего элемента выбрана логопериодическая вибраторная антенна, коэффициент усиления которой составляет порядка 8 дБ. Количество сверхширокополосных продольноизлучающих элементов в исходной линейке выбрано N=4, в первой введенной линейке - n₁=3, во второй введенной линейке - n₂=6. При этом сверхширокополосные продольноизлучающие элементы каждой линейки имели один и тот же угол раскрыва и период логопериодических структур.Verification of the proposed technical solution was carried out on the layout of a linear antenna array with a three-octave operating frequency range (F _in / F _n = 8, M = 3), consisting of three rulers. A log-periodic vibrator antenna, the gain of which is about 8 dB, is selected as an ultra-wideband longitudinally radiating element. The number of ultrawideband longitudinally radiating elements in the original ruler was chosen N = 4, in the first introduced ruler - n ₁ = 3, in the second introduced ruler - n ₂ = 6. In this case, the ultrawideband longitudinally radiating elements of each line had the same aperture angle and period of log-periodic structures.

Экспериментальные исследования качественно подтвердили теоретические предпосылки. Измеренные значения коэффициента усиления макета предложенной линейной антенной решетки, приведенные на фиг.2 показывают, что увеличение ее коэффициента усиления с ростом частоты в трехоктавном диапазоне рабочих частот (М=3) составляет примерно 8,5 дБ (7,5 раз). В то время как в антенне-прототипе величина коэффициента усиления на верхней граничной частоте F_в превышает величину коэффициента усиления на нижней граничной частоте F_н не более чем на 3 дБ.Experimental studies qualitatively confirmed the theoretical premises. The measured values of the gain of the layout of the proposed linear antenna array shown in figure 2 show that the increase in its gain with increasing frequency in the three-octave range of operating frequencies (M = 3) is approximately 8.5 dB (7.5 times). While in the prototype antenna, the value of the gain at the upper cutoff frequency F _in exceeds the value of the gain at the lower cutoff frequency F _{n by} no more than 3 dB.

Исходя из того, что диапазон рабочих частот обычной линейной антенной решетки не превосходит октавы (F_в/F_н=2), для удобства описания предложенной линейной антенной решетки диапазон рабочих частот выбран равным целому числу октав (M=log₂(F_в/F_н) - целое число). Предложенный закон изменения нижней граничной частоты сверхширокополосных продольноизлучающих элементов (F_нi=2ⁱF_н) в зависимости от номера линейки (i) позволяет размещать сверхширокополосные продольноизлучающие элементы вводимых линеек между элементами линейной антенной решетки, образованной элементами предыдущих линеек, так как максимальный поперечный размер сверхширокополосных продольноизлучающих элементов определяется длиной волны на нижней граничной частоте каждой октавы. Закон изменения количества сверхширокополосных продольноизлучающих элементов во вводимых линейках (n_i=(N-1)2^(i-1)) в зависимости от номера линейки (i) выбран с целью обеспечения значения электрического расстояния между фазовыми центрами сверхширокополосных продольноизлучающих элементов в пределах λ/2≤d≤λ во всем диапазоне рабочих частот, что гарантирует отсутствие дифракционных лепестков в диаграмме направленности, при этом линейный размер антенной решетки остается неизменным.Based on the fact that the operating frequency range of a conventional linear antenna array does not exceed an octave (F _in / F _n = 2), for the convenience of describing the proposed linear antenna array, the operating frequency range is chosen to be an integer number of octaves (M = log ₂ (F _in / F _m ) is an integer). Proposed law of variation lower limiting frequency ultrawideband prodolnoizluchayuschih elements (F _HI = 2 ⁱ F _n), depending on the line number (i) allows to place UWB prodolnoizluchayuschie elements input lines between elements of a linear array antenna formed by elements from previous lines as well as a maximum transverse dimension ultrawideband longitudinally radiating elements is determined by the wavelength at the lower cutoff frequency of each octave. The law of change in the number of ultrawideband longitudinally radiating elements in the input rulers (n _i = (N-1) 2 ^(i-1) ) depending on the ruler number (i) was chosen in order to ensure the electric distance between the phase centers of ultrawideband longitudinally radiating elements within λ / 2≤d≤λ in the entire range of operating frequencies, which guarantees the absence of diffraction lobes in the radiation pattern, while the linear size of the antenna array remains unchanged.

Предложенное техническое решение позволяет расширить диапазон рабочих частот линейной антенной решетки и обеспечить увеличение ее коэффициента усиления с ростом частоты при сохранении линейных размеров, а также использовать его без ограничений как для плоских, так и объемных сверхширокополосных продольноизлучающих элементов.The proposed technical solution allows you to expand the operating frequency range of a linear antenna array and provide an increase in its gain with increasing frequency while maintaining linear dimensions, as well as use it without restrictions for both flat and volume ultra-wideband radiating elements.

Предложенное техническое решение позволяет, при использовании линейной антенной решетки в качестве линейного облучателя параболической цилиндрической антенны, обеспечить эффективное облучение ее отражателя, значительно расширить диапазон рабочих частот и, тем самым, повысить энергетический потенциал и обеспечить сверхширокополосность приемной системы в целом.The proposed technical solution allows, when using a linear antenna array as a linear irradiator of a parabolic cylindrical antenna, to provide effective irradiation of its reflector, significantly expand the operating frequency range and, thereby, increase the energy potential and provide ultra-wideband reception system as a whole.

Claims

A linear antenna array containing an initial line of N ultra-wideband longitudinally radiating elements with a working frequency range from F _n to F _{c of} M octaves, the longitudinal axes of which lie in the same plane, and the vertices are uniformly along the common line at a distance d = λ _max / 2 from each other, where F _n is the lower cutoff frequency, F _in is the upper cutoff frequency, λ _max is the maximum wavelength of the working frequency range, M = log ₂ (F _in / F _n ) is an integer, characterized in that introduced P = M-1 lines of similar ultra-wide longitudinal and radiating elements located between the longitudinal axes of the extreme ultra-wideband longitudinally radiating elements of the original ruler, in the same plane, uniformly, with vertices along the common line, having the upper boundary frequency F _in and the lower boundary frequencies F _HI increase with _HI = F ⁱ F 2 _n line numbers by law, where i = 1, 2, 3 ... M-1 - line number entered at the beginning of the frame from the line location bases ultrawideband longitudinally-emitting element ENTOV source line to the top of them, with the number n _i ultrawideband longitudinally-emitting elements in input rulers increases with increasing numbers by law line n _i = (N-1) 2 ^(i-1).