Широкополосная комбинированная антенна

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ВГУ»), Воронеж, Россия

Акционерное общество «Концерн «Созвездие» (АО "Концерн "Созвездие"), Воронеж, Россия

Широкополосная комбинированная антенна

А.М. Бобрешов, Д.П. Кондратьев, С.Е. Нескородов, Г.К. Усков

Аннотация

В работе предложена вибраторная антенна с постоянной электрической длиной в пределах рабочей полосы. Предложен метод оценки некоторых её параметров. Полученный комбинированный излучатель имеет более стабильную диаграмму направленности по сравнению с несимметричным вибратором в рабочем диапазоне частот.

Ключевые слова: широкополосная вибраторная антенна; комбинированная антенна; ультракороткие волны; несимметричная антенна.

Abstract

Ultra-wideband hybrid antenna

A. M. Bobreshov1, D. P. Kondratyev1, S. E. Neskorodov1,2, G. K. Uskov1

1Voronezh State University (VSU), Voronezh, Russia

2Joint Stock Company "Concern "Sozvezdie" (JSC "Concern Sozvezdie"), Voronezh, Russia

In this paper proposed a vibrator antenna with a constant electrical length within the working band. Also proposed a method for estimating some of its parameters. The resulting combined radiation element has a more stable radiation pattern in comparison with the asymmetric dipole on the working frequency range.

Keywords: ultra-wideband antenna; hybrid antenna; ultra-short waves; single-ended antenna.

Введение

В настоящее время растет потребность в передаче широкополосных сигналов в УКВ диапазоне. При этом коэффициент перекрытия (отношение верхней частоты к нижней) может достигать значений 3, 4, 5. Применение классических широкополосных антенн, таких как конические, рупорные, бегущей волны, линзовые, в УКВ диапазоне затруднительно в связи с их большими размерами. Использование электрически коротких излучателей приводит к увеличению добротности, что не позволяет добиться широкой полосы пропускания, и может привести к перегреванию цепи согласования при работе мощных радиостанций. Поэтому, для увеличения ширины полосы в УКВ диапазоне используют подходы, основанные на различных вариантах совмещения двух или более поддиапазонных антенн в одном конструктиве. Это могут быть как несколько антенн с различными входами [1], так и гибридные, у которых излучающие элементы могут меняться в зависимости от требуемой частоты [2]. Вызывает интерес возможность использования одного вибратора, электрическая длина которого не изменяется в зависимости от рабочей частоты, что приводит к удовлетворительному согласованию во всем диапазоне частот.

вибраторный антенна электрический ультракороткий

1. Излучатель с реактивной нагрузкой

Одним из способов увеличения полосы пропускания вибраторных антенн является использование реактивных нагрузок [3]. Это помогает значительно уменьшить КСВН, т.е. улучшить согласование, однако не препятствует искажению диаграммы направленности (ДН) в верхней части диапазона.

В работе [4] емкостная вставка получалась в результате перекрытия цилиндра и токового штыря. Было решено получить его эквивалент в виде продолжения токового штыря с разрезом определенной величины. Для определения требуемой величины емкости была использована формула для плоского конденсатора,

.

Для проверки было проведено моделирование параметров согласования в CST StudioSuite [5] (рисунок 1). Как видно из рисунка 1, удалось получить эквивалентный излучатель.

Рис. 1 Зависимость КСВН от частоты. Сплошная линия - эквивалентный излучатель, пунктирная линия - изначальный вариант

2. Метод оценки емкостной вставки

Еще одним способом увеличения полосы пропускания является использование антенн с автоматической отсечкой излучающих токов, то есть антенн, в которых на каждой частоте излучает лишь некоторая область, называемой активной. Примером таких антенн являются спиральные и логопериодические антенны [5]. Для этого разобьем весь диапазон на два поддиапазона. В первом (нижнем по частоте) излучать будет вся антенна, во втором (верхнем по частоте) только её часть.

В качестве излучателя выберем монополь с реактивной нагрузкой. Этот вибратор будет являться излучателем первого поддиапазона. Излучатель второго поддиапазона будет представлять собой только часть вибратора. Разместим экранирующий цилиндр так, чтобы на верхних частотах антенна представляла собой излучатель с поднятой точкой питания. Чтобы сохранить резонанс на нижних частотах необходимо изолировать цилиндр внизу диапазона, но обеспечить минимальное сопротивление этой изоляции в верхней части рабочих частот. Сопротивление, уменьшающееся с ростом частоты, соответствует емкости, выполненной в виде разреза цилиндра. Таким образом, в нижнем диапазоне частот цилиндр не будет выступать в роли экрана, а в верхнем - наоборот. Общий вид предложенной конструкции изображен на рисунке 2.

Рис. 2 Схема конструкции вибраторной антенны (1-Реактивная нагрузка, 2-внутренний цилиндр, 3-токовый штырь, 4-внешний цилиндр, 5-емкостная вставка, 6-экран)

Для оценки необходимой толщины емкостной вставки представим антенну в виде эквивалентной схемы (рисунок 3). Для ограничения тока в случае наличия емкости введем величину отсечки тока , равную отношению модулей токов и :

. (1)

Путем несложных преобразований получаем выражение для толщины емкостной вставки:

, (2)

 гдетолщина емкостной вставки,это толщина цилиндра, это радиус внутреннего цилиндра.

Введем величину пор, показывающую минимальное ограничение тока на в нижней области частот. Установим пор=3, при этом мощность проходящая в цилиндр на нижней частоте не превысит 10% от мощности при отсутствии вставки.

Рис. 3 Эквивалентная цепь антенны

Для проверки оценки параметра емкости было проведено моделирование параметров согласования в CST StudioSuite.

Из (2), величина минимального зазора составила dmin=0.1 мм при нижней частоте равной 200 МГц.

По результатам моделирования при значениях d?0.1 резонанс на нижней частоте смещается, что соответствует расчетным данным.

2. Характеристики направленности

Путем моделирования были получены диаграммы направленности (рисунок 4).

Рис. 4 Диаграммы направленности: a) на частоте 200 МГц; б) на частоте 700 МГц. Сплошная линия-рассматриваемая антенна, пунктиром-несимметричный вибратор

Диаграмма направленности для нижней частоты (рисунок 4а) показывает, что был получен излучатель эквивалентный несимметричному вибратору. В этом случае емкостное сопротивление достаточно велико, и токи не затекают во внутренний цилиндр. Таким образом, токовый штырь с емкостной нагрузкой является излучающим элементом целиком - нет эффекта экранирования внутренним цилиндром. На рисунке 4б показана ДН для верней части диапазона. На частоте 700 МГц излучает верхняя часть антенны. В этом случае емкостное сопротивление мало, и наведенные на экране токи затекают на внутренний цилиндр, из-за чего он выступает в роли продолжения внешней оплетки коаксиальной линии, образуя антенну с поднятой точкой питания. Из-за изменения излучающего участка антенны резонансная частота увеличивается, а антенна «укорачивается», направление основного лепестка остается прижатым к экрану.

Заключение

В ходе работы исследована антенна, электрическая длина которой не меняется с ростом частоты. Это позволяет увеличить полосу пропускания, при этом, не позволяя исказиться диаграмме направленности. Таким образом, полученная антенна приобретает элементы частотной независимости как по входным сопротивлениям, так и по излучаемому полю, сохраняя свою вибраторную структуру. Также был предложен метод оценки величины емкостной вставки для рассматриваемой антенны.

Благодарности

Работа выполнена в рамках грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (МД-6872.2018.9).

Литература

1. Gary A. M., John M., Very wide band tactical vehicular antenna system. US 9379441 B2, May 21, 2013, Jun. 28, - 2016.

2. Gary A. M., Henry R. J. Low profile, broad band monopole antenna with heat dissipating ferrite/powder iron network and method for constructing the same. US 8779996 B2, Jul. 21, 2010, Jul. 15, 2014.

3. Овсянников В. В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М: Радио и связь, 1985.-120 с.

4. А. М. Бобрешов, Д. П. Кондратьев, С. Е. Нескородов, Г. К. Усков. Составная вибраторная сверхширокополосная антенна.// Радиолокация, навигация, связь XXIV международная научно-техническая конференция, - 2018, - Т. 4. - С.251-255.

5. Рамзей В. Частотно независимые антенны. М: Мир, 1968. -172 с.

6. А. П. Горбачев, Е. А. Ермаков Проектирование печатных фазированных антенных решеток в САПР «CST Microwave Studio». Новосибирск: НГТУ, 2008. - 88 с.

7. Надененко С. И. Антенны. М: Связьиздат 1959. -555 с.

References

1. Gary A. M., John M. Very wide band tactical vehicular antenna system. US 9379441 B2, May 21, 2013, Jun. 28, 2016.

2. Gary A. M., Henry R. J. Low profile, broad band monopole antenna with heat dissipating ferrite/powder iron network and method for constructing the same. US 8779996 B2, Jul. 21, 2010, Jul. 15, 2014.

3. Ovsynnikov V. V. Vibrator antennnas with reactive loads. М: Radio and communication, 1985. - 120 p.

4. А. М. Bobreshov, D. P. Kondratyev, S. E. Neskorodov, G. K. Uskov. Combined vibratoric ultrawideband antenna.// Radiolocation, navigation, connection XXIV International scientific and technical conference, 2018, Т. 4. -p.251-255.

5. Rumsey V. Frequency independent antennas. M: Mir, 1968. -172 с.

6. А. P. Gorbachev, Е. А. Ermakov Design of printed phased antenna arrays in CAD «CST Microwave Studio». Novosibirsk: NSTU, 2008. -88 p.

7. Nadenenko S. I. Antennas. M: Svyazizdat 1959. -555 p.

Размещено на Allbest.ru