СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
Посний Олег Олександрович
УДК 621.396.674.1: 621.396.677.49
Оптимізація характеристик
малоелементних антенних решіток,
складених із рамкових випромінювачів
05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Севастополь - 2001
Дисертація є рукописом.
Работа виконана на кафедрі радіотехніки Севастопольського державного технічного університету.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лобкова Любов Михайлівна,
Севастопольський державний технічний університет, професор кафедри радіотехніки, м.Севастополь.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Яцук Клара Прокопівна,
Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна,
провід. наук. спів. кафедри фізики НВХ, м.Харкiв.
кандидат фізико-математичних наук, доцент
Должиков Володимир Васильович,
Харківський державний технічний університет радіоелектроніки,
професор кафедри основ радіотехніки, м.Харкiв.
Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство "Науково-виробниче підприємство "Сатурн" Міністерства промислової політики України, м. Київ.
Захист відбудеться " 22 " березня 2001 р. о 12.00 годині на засіданні Спеціалізованої ради К 50.052.03 у Севастопольському державному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Стрілецька бухта, Студмістечко, конференцзал.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці СевДТУ.
Автореферат розісланий 19 лютого 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В.В. Саламатін
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Інтенсивне використання діапазону дециметрових хвиль для цілей радіозв'язку різного призначення та телевізійного мовлення привело до необхідності розробки антен з заданими частотними властивостями і поляризаційною структурою поля.
Аналіз характеристик різних типів випромінювачів виявив переваги використання рамкових випромінювачів в складі антенних решіток. Однак, незважаючи на те, що рамкові випромінювачі відомі досить давно, вони знайшли обмежене застосування (малі і хвильові рамки). Відсутність достатніх даних про властивості рамкових випромінювачів, їх взаємний вплив при різних варіантах розташування як самих елементів, так і їх вузлів збудження, привів до необхідності розв'язання проблем, виникаючих при побудові малоелементних решіток на їх основі.
Пропонується рішення даної задачі, починаючи з дослідження еліптичного рамкового випромінювача з подальшим розглядом граничних варіантів у вигляді круглої рамки з довільними розмірами і петльового вібратора.
Потім розглядаються принципи побудови малоелементних решіток. Звеличене число ступенів свободи у взаємному розташуванні рамкових випромінювачів і більш складна поляризаційна структура поля в порівнянні з лінійними випромінювачами приводять до необхідності розглядати двох- і четирьохелементні решітки.
Перевага даного підходу обумовлена тим, що на основі запропонованої математичної моделі еліптичного рамкового випромінювача можна здійснювати оптимальну побудову антенних решіток.
Таким чином, створення математичної моделі еліптичного рамкового випромінювача, аналіз і оптимізація малоелементних антенних решіток, побудованих на основі рамкових випромінювачів, є актуальними задачами, що мають наукове і прикладне значення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати дослиджень, яки представлені в дисертації, отримані в рамках НДР, проведеной на кафедрі радіотехніки Севастопольського державного технічного університету: “Розробка статистичної моделі каналів зв’язку і макетів нових частотно-незалежних антен дециметрового і сантиметрового діапазонів”, шифр “Волна-Л” (1998-2000рр), номер держреєстрації 0198U00842.
Метою роботи є розробка методики дослідження поля випромінювання і оптимізація основних параметрів еліптичних рамкових випромінювачів, включаючи граничні форми у вигляді круглої рамки і петльового вібратора, а також малоелементних решіток, що застосовуються в системах радіозв'язку і телевізійного мовлення.
Основні задачі дослідження містили наступне:
1.
Розробку математичної моделі поля випромінювання еліптичного рамкового випромінювача, включаючи граничні форми у вигляді круглої рамки і петльового вібратора.
2.
Теоретичні дослідження характеристик поля випромінювання еліптичних рамок: діаграм спрямованості, коефіцієнта спрямованої дії, поляризаційної структури поля випромінювання в залежності від геометричних параметрів рамкового випромінювача.
3.
Розробку математичної моделі і дослідження частотних властивостей вхідного опору еліптичного рамкового випромінювача.
4.
Оптимізацію геометричних параметрів еліптичного випромінювача.
5.
Розробку методів побудови малоелементних решіток, що складаються з еліптичних рамкових випромінювачів з заданими геометричними параметрами.
6.
Експериментальні дослідження як характеристик випромінювання, так і вхідних характеристик одиночних еліптичних рамкових випромінювачів і малоелементних решіток.
7.
Розробку конструкцій малоелементних решіток.
Методи дослідження. Теоретичне дослідження характеристик поля випромінювання еліптичної рамки було проведене на основі рішення задачі електродинаміки з застосуванням методу векторного потенціалу, при цьому розподіл струму задавався у вигляді стоячої хвилі.
Частотні властивості вхідного опору еліптичного рамкового випромінювача досліджувалися з застосуванням модельного представлення у вигляді довгої лінії з хвильовим опором, рівним хвильовому опору еліптичної рамки і навантаженої на власний опір випромінювання, знайдений за методом наведених ЕРС.
При дослідженні вхідних характеристик малоелементних решіток, що складаються з еліптичних рамок, враховувався взаємний вплив рамок при відповідному розташуванні їх на площині і фазових співвідношень струмів, які збуджують кожний з елементів решітки.
Наукова новизна. При виконанні дисертаційної роботи вперше отримані наступні результати:
1.
Розроблена математична модель поля випромінювання еліптичної рамки і виведені основні формули для аналізу спрямованих і поляризаційних характеристик, які дозволяють досліджувати еліптичні рамки, включаючи граничні форми у вигляді круглої рамки і петльового вібратора.
2.
Розроблена математична модель еліптичної рамки, що дозволяє досліджувати частотні властивості еліптичної рамки з заданою геометрією, а також малоелементних решіток з урахуванням взаємного впливу рамок, фазових співвідношень струмів в рамках і їх просторового розташування.
3.
Визначені оптимальні геометричні параметри як для одиночних еліптичних рамок, так і для малоелементних решіток, що дозволяють створити антену з заданими характеристиками випромінювання і узгодження, на основі теоретичних досліджень направлених властивостей поля випромінювання, а також його поляризаційної структури.
4.
Результати теоретичних досліджень частотних властивостей одиночних еліптичних рамок і малоелементних решіток, внаслідок яких встановлений характер зміни активної і реактивної частин вхідного опору і можливість збільшення коефіцієнта перекриття по частоті.
5.
Результати експериментальних досліджень, що дозволили встановити характер зміни як характеристик випромінювання, так і вхідних характеристик досліджуємих антен і підтвердити адекватність запропонованих математичних моделей.
Практична цінність полягає в наступному:
1.
Запропонована методика теоретичного дослідження характеристик випромінювання еліптичних рамкових випромінювачів, включаючи граничні форми у вигляді круглої рамки і петльового вібратора.
2.
Розроблена методика дослідження частотних властивостей вхідного опору еліптичної рамки, а також вхідних характеристик малоелементних решіток, що складаються з рамкових випромінювачів.
3.
Результати теоретичних і експериментальних досліджень еліптичних рамок, які дозволяють при проектуванні решіток із рамкових випромінювачів здійснювати оптимальнії вибір геометричних параметрів рамок і антенних решіток в залежності від вимог до характеристик випромінювання і узгодження.
4.
Результати роботи впроваджені на підприємстві Державної Інспекції Електрозв'язку по Черкаській і Дніпропетровській областях та на Севастопольському ДП “КБ радиосвязи”.
Основні положення, що виносяться на захист:
1.
Математична модель поля випромінювання еліптичної рамки, що дозволяє досліджувати характеристики поля випромінювання з урахуванням геометрії еліптичної рамки.
2.
Математична модель рамки, яка враховує її еквівалентний хвильовий опір і повний опір випромінювання, що дозволяє досліджувати характер зміни частотних властивостей вхідного опору в залежності від геометрії рамки.
3.
Математична модель малоелементної решітки, яка складена з рамкових випромінювачів з заданою геометрією, що дозволяє досліджувати як характеристики випромінювання, так і вхідні характеристики решіток випромінювачів.
4.
Результати оптимізації як геометричних параметрів еліптичної рамки, так і геометрії решіток випромінювачів загалом.
5.
Результати теоретичних досліджень характеристик випромінювання і вхідних характеристик як одиночних еліптичних рамок, так і малоелементних решіток.
6.
Результати експериментальних досліджень характеристик еліптичних рамок і малоелементних решіток.
Апробація результатів диссертації. Основні положення та результати роботи докладалися і обговорювалися на: 6-10-й Международных научно-технических крымских микроволновых конференциях: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (Севастополь, Україна, 1996-2000 рр.); The second International Conference on Antenna Theory and Techniques (Київ, Україна, 1997 р.); III Международной конференции по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию (Одеса, Україна, 1997 р.); The third International Conference on Antenna Theory and Techniques (Севастополь, Україна, 1999 р.).
Публікації. По матеріалах досліджень опубліковано 11 праць: 4 наукових статті, 7 тез доповідей на міжнародних конференціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 176 сторінках друкованого тексту з ілюстраціями на 50 сторінках. Список використаних джерел містить 107 найменувань на 11 сторінках.
ОСНОВНИЙ Зміст роботи
У вступі обгрунтована актуальність розробки малоелементних антенних решіток (АР), що складаються з рамкових випромінювачів, визначена необхідність побудови математичної моделі цього типу антен, сформульовані положення, що виносяться на захист, представлена коротка анотація основних результатів дослідження і змісту дисертації по розділах.
У першому розділі проведений аналіз вимог, що ставляться до характеристик антен дециметрового діапазону хвиль, при цьому особлива увага приділена характеристикам приймальних телевізійних антен.
Аналіз характеристик різних типів випромінювачів виявив переваги використання рамкових випромінювачів в складі АР. Проте, відсутність достатніх даних про властивості рамкових випромінювачів, їх взаємний вплив при різних варіантах розташування, як самих елементів, так і їх вузлів збудження (затискачів), привів до необхідності розгляду проблеми побудови малоелементних АР.
В якості початкової моделі рамкового випромінювача запропоновано дослідити характеристики еліптичного рамкового випромінювача, що дозволяє розглянути, як граничні конфігурації випромінювачів у вигляді круглої рамки і петльового вібратора, так і проміжні з довільними значеннями ексцентриситету.
Дослідження характеристик випромінювання еліптичних рамкових випромінювачів було проведене на основі методу векторного потенціалу, а дослідження частотних властивостей вхідного опору - з використанням методу наведених ЕРС.
У другому розділі представлені основні співвідношення, що дозволяють визначити направлені властивості поля випромінювання еліптичної рамки. Розподіл струму вздовж провідника рамки був прийнятий у вигляді стоячої хвилі.
На рис.1 представлена еліптична рамка і необхідні позначення: а і b - велика і мала напівосі еліпса; R, і - сферичні координати точки М.
Декартові компоненти векторного потенціалу були подані у вигляді:
; (1)
; (2)
,
де 0 – магнітна проникливість середовища, I0 – струм в пучності, k=2/ - хвильове число, - довжина хвилі у свободному просторі, l()=a E(,) – довжина дуги эліпса від затискачів до элемента dl, - кут, що відмірюється від затискачів рамки в площині XOY, E(,) - неповний эліптичний інтеграл другого роду, - эксцентриситет эліпса, при цьому периметр эліпса S=4aE(), E()=E(/2,) - повний эліптичний інтеграл другого роду.
Рис.1 – Геометрія еліптичної
Рамки | Рис.2 – Залежність рівня поля від відносного периметра рамки ka
Враховуючи, що в дальній зоні випромінювання складові поля , , де і визначаються через и , подальший розгляд був проведений для поля випромінювання эліптичної рамкової антени від відносного периметра эліпса S/ з різною мірою стиску.
Спочатку було досліджене випромінювання круглої рамки, вважаючи a=b, S/=ka, =0.
Основні результати чисельних розрахунків представлені на рис.2, де показана залежність нормованого рівня напруженості електричного поля в осьовому напрямі (суцільною лінією) і рівня поля в площині рамки (пунктирною лінією) від відносного периметра круглої рамки ka.
На основі отриманої залежності виділені три режими роботи:
1) режим малих рамок, коли ka<0,479;
2) режим осьового випромінювання, що характеризується максимумом випромінювання в осьовому напрямі. Згідно з критерієм “рівень поля в осьовому напрямі повинен бути вище за рівень поля в площині рамки, а зміна рівня напруженості поля на краях діапазону не повинна перевищувати -3 дБ” виділені межі даного режиму (див. рис.2): ka=0,717…1,525 (перекриття по частоті складає Kf =2,13). Максимум випромінювання в осьовому напрямі відповідає ka=1,126;
3) багатопелюстковий режим, коли ka>1,637.
При цьому встановлено, що рамка з стоячою хвилею струму формує в просторі поле лінійної поляризації. Крім того, кросполяризація в площині ZOX відсутня внаслідок амплитудно-фазового розподілу струму і симетрії рамки відносно діаметральної площини, що проходить між затискачами. У площині ZOY рівень кросполяризації досягає мінімальних значень у випадку, коли периметр рамкового випромінювача рівний довжині хвилі (S/=1). Зменшення або збільшення відносного периметра рамки приводить до підвищення рівня кросполяризації, при цьому великі рівні кросової компоненти в режимі осьового випромінювання відповідають крайнім частотам діапазону.
Далі було проведене дослідження впливу стиснення рамки вздовж осі X (див. рис.1) на її характеристики випромінювання, яке показало, що стиснення рамки приводить до звуження діаграми спрямованості (ДС) в площині ZOY і розширенню ДС в площині ZOX, та зниження рівня кросової компоненти поля.
У даному розділі також представлені результати дослідження коефіцієнта спрямованої дії (КСД) еліптичної рамки. Так на рис.3 приведені залежності осьового КСД еліптичної рамки від ексцентриситету для трьох значень S/.
Встановлено, що осьовий КСД круглої рамки з периметром рівним довжині хвилі перевищує КСД петльового вібратора з тим же периметром на 1,35 дБ. Низькочастотна область режиму осьового випромінювання (S/0,7) характеризується слабим впливом стиснення рамки на КСД. У верхній області режиму осьового випромінювання (S/1,6) при 0,85 спостерігається максимум КСД. Найбільші зміни КСД характерні для центральної області режиму осьового випромінювання, наприклад, для S/=1,0 КСД спадає від 3,5 дБ при =0 до 2,15 дБ при =1 і для S/=1,3 від 4,1 дБ до 2,5 дБ відповідно.
Рис.3 – Залежність КСД еліптичної рамки від ексцентриситету | Рис.4 – Залежність КСД рамки від її відносного периметра
На рис.4 представлені залежності осьового КСД еліптичної рамки від S/ для різних значень ексцентриситету, причому =0 – кругла рамка, =0,997 – наближення петльового вібратора. Виділений діапазон S/=(0,7...1,6) включає смугу режиму осьового випромінювання. Як випливає з рис.4, збільшення ексцентриситету загалом по діапазону приводить до зниження осьового КСД. Максимальне перевищення КСД круглої рамки над КСД петльового вібратора досягається при відносному периметрі S/1,3 і становить 1,6 дБ.
На основі отриманих результатів проведений аналіз характеристик випромінювання малоелементних АР, що складаються з еліптичних рамок. Звеличене число ступенів свободи при використанні рамкових випромінювачів, наприклад, в порівнянні з лінійними випромінювачами, вимагає розгляду не тільки двох випромінювачів, але і додання до них ще пари випромінювачів (рамки розташовувалися у вершинах прямокутника). Внаслідок аналізу встановлено, що збільшення ексцентриситету еліптичного випромінювача при збереженні постійної відстані між центрами рамок привело до незначного зниження осьового КСД (наприклад, не більше за 0,3 дБ при відносній відстані між елементами решіток d/=0,5).
Рівень бічного випромінювання (РБВ) антенних решіток досягає максимальних значень на верхній частоті режиму осьового випромінювання і зростає при збільшенні відносної відстані між рамковими випромінювачами.
Також проведене дослідження кросполяризаційної компоненти поля випромінювання АР. Так на рис.5 зображені два випадки розташування затискачів рамок в парі випромінювачів: а) - співнаправлене розташування зажимів і б) - розташування рамок затискачами один до одного.
Внаслідок аналізу встановлено, що розташування рамок згідно рис.5,а характеризується високими значеннями кросполяризації в площині ZOY, що більш істотно виявляється при невеликій кількості випромінювачів в решіткi.
Однак, в площині ZOY можна добитися взаємної компенсації кросових компонент полів рамок і знизити рівень кросполяризації в інших напрямах, якщо рамкові випромінювачі в парах елементів АР встановити затискачами один до одного, зберігаючи при цьому положення вектора основної поляризації (рис.5,б).
Вплив повороту рамкових випромінювачів на величину КСД антенних решіток відображений на рис.6, де по осі абсцис відкладені значення S/ в межах 0,7...1,6, а по осі ординат - осьовий КСД. Результати представлені для відстані між круглими рамковими випромінювачами d=S/2. Встановлено, що розташування рамок затискачами один до одного (рис.5,б) приводить до підвищення КСД загалом по діапазону в порівнянні з випадком співнаправленого розташування затискачів рамок (рис.5,а).
Рис.5 – Геометрія розташування рамок
в решітках | Рис.6 – Залежність КСД антенних решіток від відносного периметра рамок
На основі отриманих співвідношень була проведена оптимізація характеристик чотириелементної АР з метою отримання максимальних значень КСД при умові задоволення вимог по рівнях кросполяризації і бічного випромінювання в необхідній смузі частот.
У третьому розділі представлені результати теоретичних досліджень частотних властивостей вхідного опору і взаємного впливу рамкових випромінювачів. Спочатку був досліджений вхідний опір круглої рамки. Для цього вона була зображена у вигляді еквівалентної довгої лінії з хвильовим опором , де а і - відповідно радіуси рамки і провідника, і опором нагрузки, який визначався опором випромінювання рамки Z=R+jX, де R и X були знайдені по методу наведених ЕРС.
Таким чином, вхідний опір рамки можна представити у вигляді:
. (3)
Для визначення взаємного впливу круглі рамки з радіусами а1 і а2 були розташовані в площині XOY на відстані d. На рис.7 показаний один з варіантів розташування затискачів рамок.
Для взаємного опору випромінювання двох круглих рамок було отримане наступне співвідношення:
, (4)
де ,
Рис.7 - Геометрія круглих рамкових випромінювачів
На основі отриманих виразів проведені чисельні розрахунки власного і взаємного опорів випромінювання круглих рамок.
На рис.8 представлені залежності активної R11 і реактивної X11 частин власного опору випромінювання круглої рамки від відносного периметра ka, а також результати розрахунку активної R12 і реактивної X12 частин взаємного опору випромінювання для випадків а) і б) (див.рис.5) розташування рамок. Розрахунок зроблений для а1=а2=а.
Внаслідок аналізу було встановлене наступне:
1) активна частина R11 має осциліруюче-зростаючий характер із зростанням ka, при цьому збільшення ka приводить до зниження X11;
2) в порівнянні з схемою, зображеною на рис.5,а, розташування рамок зажимами один до одного (рис.5,б) приводить до зміни знаку реактивної частини опору, що вноситься, хоч і не у всьому частотному діапазоні. Близькі величини взаємних опорів в обох разах розташування затискачів для області, де ka1, пояснюються симетрією розподілу струму вздовж рамки відносно діаметральної площини рамки, що проходить паралельно її затискачам;
3) зміна знаку взаємного опору дозволяє в частотному діапазоні частково компенсувати реактивну частину власного опору випромінювання рамки, що позитивно позначається на широкосмужних властивостях вхідних характеристик випромінювача;
4) зниження рівня активної частини опору, що вноситься за рахунок розташування рамок згідно рис.5,б приводить до підвищення КСД по відношенню до випадку, показаного на рис.5,а.
Рис.8 - Залежність власного і взаємних опорів випромінювання круглих рамок від ka | Рис.9 – Взаємні опори випромінювання круглих рамок при розташуванні їх затискачами один до одного
Далі досліджений вплив відстані між випромінювачами на частотні властивості взаємного опору для випадку розташування рамок затискачами один до одного. На рис.9 показані залежності активної і реактивної частин взаємного опору випромінювання від відносного периметра рамок ka. Так збільшення відстані між елементами позначалося на активній частині в діапазоні ka=0,4…1,6. При цьому зближення рамок більш сильно впливало на реактивну частину взаємного опору випромінювання.
Далі був розглянутий вхідний опір одиночної еліптичної рамки. При цьому розглянуті наступні випадки:
1)
круглі рамки (=0) з =0,00125S; 0,0025S; 0,007S;
2)
еліптичні рамки для =0,0025S при =0,736;0,893;0,961;0,991;0,997.
На рис.10 представлені основні результати розрахунку вхідних опорів одиночних еліптичних випромінювачів в залежності від S/ для найбільш важливих випадків =0; 0,893; 0,997.
Так для круглої рамки в діапазоні зміни S/ від 0 до 2 спостерігалися три резонанси (див. рис.10): два паралельних (S/0,45 і 1,45) і один послідовний (S/1,1). Область першого паралельного резонансу (S/0,45) характеризувалася наявністю різких перепадів реактивної частини вхідного опору і високою крутістю характеристик.
Область низькоомного послідовного резонансу займала широку смугу частот і відповідала значною мірою смузі режиму осьового випромінювання. Середній рівень активної частини вхідного опору в цій області складав порядку 80110 Ом і мало залежав від радіуса провідника (відносна зміна середнього рівня активної частини вхідного опору при зміні в 10 раз не перевищувала 20 %).
Рис.10 - Вхідний опір еліптичної
рамки | Рис.11 – Нормовані ДС чотириелементної антенної решітки
Встановлено, що зміна товщини провідника впливає на рівні активної і реактивної частин вхідного опору рамки в області другого паралельного резонансу.
При переході до еліптичних рамок було встановлено, що зміна ексцентриситету рамки впливає на вхідні характеристики рамкової антени більш значно, ніж товщина провідника. Так на рис.10 показана теоретична залежність вхідного опору еліптичної рамки від відносного периметра S/ при різних значеннях ексцентриситету. Як випливає з рис.10, зміна ексцентриситету привела до зміщення положень резонансів і зміни рівнів активної і реактивної частин вхідного опору. Так при збільшенні ексцентриситету перший паралельний резонанс зміщався у високочастотну область (від S/0,45 до S/0,6), а послідовний і другий паралельний резонанси зміщалися в низькочастотну область (відповідно S/1,1 S/1,0 і S/1,45 S/1,3). Збільшення ексцентриситету привело до зростання середнього значення активної частини вхідного опору в області послідовного резонансу.
На основі аналізу залежності вхідного опору одиночної рамки проведена оптимізація геометричних параметрів еліптичного випромінювача з метою отримання максимальної широкосмуговості за вхідними характеристиками в режимі осьового випромінювання по одному параметру - ексцентриситету рамки - для фіксованої товщини провідника. Задача була зведена до пошуку оптимального значення ексцентриситету opt, при якому досягалися мінімальні діапазони зміни активної і реактивної частин вхідного опору рамки в смузі S/=0,7171,525. У результаті для =0,0025S було отримано opt=0,94.
У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень характеристик випромінювання і вхідних характеристик одиночних еліптичних рамкових антен і малоелементних АР, побудованих на основі рамкових випромінювачів, з оптимальними геометричними параметрами. Розглянуті наступні варіанти малоелементних АР: 1) чотириелементна решітка, що складена з круглих рамок і екранного полотна; 2) двоелементна решітка, що складена з еліптичних рамок (opt=0,94) і екранного полотна.
Експериментальні дослідження двоелементної решітки підтвердили правильність розробленого методу математичного моделювання взаємного впливу рамок і ефективності зниження кросової компоненти поля.
Експериментальні дослідження вхідного опору одиночних еліптичних рамкових випромінювачів проведені для тих же варіантів геометрії, що і при теоретичному моделюванні. Результат для =0,893 показан на рис.10.
Далі були проведені експериментальні дослідження вхідних характеристик та характеристик випромінювання антенних решіток.
На рис.11 представлені експериментальні ДС по основній (лінійної) поляризації чотириелементної АР, що містить круглі рамкові випромінювачі і екранне полотно, для трьох частот робочого діапазону в площині ZOY. На рис.11 для порівняння також показані теоретичні ДС. Основні результати експериментальних досліджень ДС зведені в табл.1, де представлені дані для РБВ, ширина ДС по рівню половинної потужності (0,5) і рівня кросполяризації (РКП).
Таблиця 1
Характеристики ДС дво- і чотириелементної антенних решіток
Частота, МГц | 470 | 600 | 900
Площина | ZOX | ZOY | ZOX | ZOY | ZOX | ZOY
Кільк. ел-тів | 2 | 4 | 2 | 4 | 2 | 4 | 2 | 4 | 2 | 4 | 2 | 4
0,5, град. | 60 | 57 | 62 | 58 | 52 | 50 | 60 | 51 | 37 | 33 | 54 | 34
РБВ, - дБ—— | 20 | 22 | 19,2 | 17 | 16,9 | 17,8 | 16,4 | 15,4 | 16,6 | 15,1
РКП, - дБ | 23,5 | 20 | 23,5 | 23 | 18,3 | 17,3 | 22,4 | 17,8 | 25,8 | 16,5 | 20,5 | 18,4
Як видно з таблиці, при установці випромінювачів в парах затискачами один до одного значення кросової компоненти поля не вище за -16,5 дБ. Розміри екрана були підібрані експериментально з метою забезпечення рівня заднього випромінювання не вище за -1516 дБ.
У додатках приведені: програма розрахунку вхідного опору еліптичних рамкових випромінювачів, написана на мові С++, блок-схеми алгоритмів оптимізації характеристик антенних решіток; представлені акти впровадження результатiв роботи.
Основні результати і висновки
1) Розроблена математична модель поля випромінювання еліптичної рамки. Виділений режим осьового випромінювання: смуга склала S/=0,717…1,525. Проаналізований вплив стиснення рамки на її характеристики випромінювання, досліджена поляризаційна структура поля, при цьому встановлено:
-
рамковий випромінювач з стоячою хвилею струму формує в просторі поле лінійної поляризації;
-
має місце кросова компонента поля, а її рівень залежить від відносного периметра і ступеню стиснення рамки;
-
в режимі осьового випромінювання великі рівні КСД відповідають круглій рамці, а менші - петльовому вібратору, причому максимальне перевищення КСД круглої рамки над КСД петльового вібратора становить 1,6 дБ при S/1,3.
2) Отримані формули для взаємного опору випромінювання круглих рамок, довільно розташованих на площині. Зроблена оцінка ступеню взаємного впливу рамкових випромінювачів, при цьому встановлено:
-
розташування рамок затискачами один до одного приводить до зміни знаку реактивної частини взаємного опору випромінювання по відношенню до випадку співнаправленого розташування затискачів рамок;
-
взаємний опір випромінювання має осциліруюче-зменшуючий характер з збільшенням відстані між рамками.
3) Проаналізовані характеристики випромінювання дво- і чотириелементної АР, що складаються з еліптичних рамок. Встановлене наступне:
-
розташування рамкових випромінювачів в парах затискачами один до одного приводить до зменшення кросової компоненти поля і підвищенню КСД антенної решітки;
-
оптимальна чотириелементна АР, що складається з круглих рамок і екранного полотна, характеризується максимальним КСД (середнім в діапазоні S/=0,717…1,525) рівним 12,7 дБ при відносних відстанях між елементами dx/S=0,467, dy/S=0,487, dz/S=0,420, РБВ не перевищив -16 дБ.
4) Розрахований вхідний опір еліптичної рамки, досліджений вплив стиснення рамки на частотні властивості її вхідного опору, проведена оптимізація геометричних параметрів рамки з метою отримання максимальної широкосмуговості за вхідними характеристиками. У результаті встановлено:
-
за рахунок використання еліптичних рамкових випромінювачів можна отримувати робочі смуги частот АР з коефіцієнтами перекриття до 2...2,5;
-
оптимальне значення ексцентриситету еліптичної рамки, відповідне мінімальним діапазонам зміни активної і реактивної частин вхідного опору в смузі S/=0,7171,525, склало opt=0,94.
5)
Експериментальні дослідження поля випромінювання, а також частотних властивостей вхідного опору еліптичної рамки для різних геометричних параметрів (електричних розмірів, радіусів провідника і ексцентриситету) підтвердили адекватність розроблених математичних моделей.
6)
Експериментальні дослідження КСХ входів АР дозволили встановити наступне:
- використання еліптичних рамок з opt=0,94.в складі антенних решіток дає можливість отримати найбільші смуги частот без додаткових компенсаторів;
- за рахунок застосування додаткових шунтів в решітках з круглих рамок можна збільшити коефіцієнт перекриття по частоті від 1,7 до 2;
- управління вхідним опором рамки за рахунок зміни її геометричних параметрів дозволяє погоджувати антену з стандартними фідерами.
7)
Внаслідок експериментальних досліджень характеристик випромінювання АР було встановлено, що розташування рамкових випромінювачів затискачами один до одного дозволяє отримувати рівень кросової компоненти менше за - 16 дБ.
8). Як телевізійні антени дециметрового діапазону хвиль запропоновані дві АР. Їх характеристики зведені в табл.2, де РЗВ - рівень заднього випромінювання.
Таблиця 2
Параметри дециметрових телевiзiйних антен
Параметри | АР з 2-х ел. рамок і екранного полотна (=0,94) | АР з 4-х круглих рамок і екранного полотна
Робоча смуга частот, МГц | 470...930 | 470...890
КСХ в роб. смузі частот, не більш | 2,0 | 2,1
Коефіцієнт посилення, дБ | 9,2...10,4 | 10...13,4
РБВ, - дБ, не більш | 16 | 15
РЗВ, - дБ, не більш | 16 | 15,8
РКП, - дБ, не більш | 18 | 16,5
Габаритні розміри, мм3 | 130х390х480 | 130х520х540
Список опублікованих прац за темою дисертації
1.
Лобкова Л.М. Частотные характеристики входного сопротивления круглой рамочной антенны / Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, О.А. Посный // Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. - 1998, т.41. -№ 11-12. - С. 20-25.
2.
Лобкова Л.М. Моделирование характеристик кольцевых антенн / Л.М.Лобкова, О.А. Посный, М.В. Ивашина // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь. - Вып.10. - 1998. - С. 112-116.
3.
Проценко М.Б. Анализ волнового сопротивления кольцевых антенн / М.Б.Проценко, О.А. Посный, М.В. Ивашина // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь. - Вып.10. – 1998. - С. 116-120.
4.
Проценко М.Б. Анализ комплексных сопротивлений излучения криволинейных проводников эллиптической формы / М.Б.Проценко, О.А. Посный, В.В. Громоздин // Вестник СевГТУ: Информатика, электроника, связь. - Вып.26. – 2000.- С. 55-62.
5.
Lobkova L.M. Influence of Geometrical Parameters of Ring Antennas on the Radiation Field / L.M. Lobkova, O.A. Posniy, M.V. Ivashina // Proc. of 2-nd Int. Conf. on Antenna Theory and Techniques. - Kyiv (Ukraine) – 1997. - P.135-137.
6.
Lobkova L.M. Evaluation of the interaction impedance of the antenna array consisting from circular loops / L.M. Lobkova, M.B. Protsenko, O.A. Posniy // Proc. of 3-rd ICATT. – Sevastopol. – 1999. - P. 335-336.
7.
Лобкова Л.М. Моделирование характеристик рамочных антенн / Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, О.А. Посный // Мат. 6-й Меж. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. – Севастополь. - 1996. - C.267-271.
8.
Лобкова Л.М. Оценка эффективности приемных кольцевых антенн с заданными геометрическими параметрами / Л.М. Лобкова, О.А. Посный, М.В.Ивашина // Мат. 7-й Меж. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. –Севастополь. - 1997. - С.562-563.
9.
Лобкова Л.М. Электродинамическая модель эллиптической рамочной антенны / Л.М. Лобкова, О.А. Посный, М.Б. Проценко // Мат. 9-й Меж. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. – Севастополь. - 1999. - C.203-204.
10.
Лобкова Л.М. Об одном методе синтеза малоэлементной решетки, состоящей из круглых рамок / Л.М. Лобкова, О.А. Посный, В.В. Громоздин // Мат. 10-й Меж. конф. “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь. - 2000. - C. 304 - 305.
11.
Лобкова Л.М. Частотные характеристики входного сопротивления кольцевых антенн, обусловленные их геометрическими параметрами / Л.М. Лобкова, О.А. Посный, М.В.Ивашина // Мат. III-й Меж. конф. по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. – Одесса. - 1997. – С.413-416.
RESUME
Posniy O.A. Optimization of characteristics of few quantity elements antenna arrays consisting of loop radiators. – Manuscript.
Ph.D. thesis by speciality 05.12.07 – Antennas and microwave devices – Sevastopol State Technical University, Sevastopol, 2001.
In the given thesis the mathematical models of the radiation field and the input impedance have been developed for elliptical loop antennas and their characteristics have been analyzed including the extreme radiators in the form of a circular loop and a folded unipole. Also the few quantity elements antenna arrays consisting of loop radiators have been investigated. The electromagnetic problems were solved by means of the vector potential and the induced electromagnetic force methods
The mathematical model of the mutual radiation impedance has been developed and the mutual influence of the loop radiators has been estimated under their arbitrary location condition in the loop plane.
The elliptical loop antenna parameters were optimized on a criterion of the maximal wideband features according to the antenna input characteristics and the optimization of the elliptical loop antenna array of four-elements was aimed at obtaining the maximal directivity.
In the thesis the designs of wideband receiving antenna arrays for TV application of decimeter waves have been suggested.
Key words: an elliptical loop radiator, few quantity elements antenna array, mathematical model, analysis, optimization.
АНОТАЦІЯ
Посний О.О. Оптимізація характеристик малоелементних антенних решіток, складених із рамкових випромінювачів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки. Севастопольський державний технічний університет, Севастополь, 2001.
У роботі побудовані математичні моделі і проведений аналіз характеристик еліптичних рамок, включаючи граничні форми у вигляді круглої рамки і петльового вібратора, і малоелементних антенних решіток, що складаються з еліптичних рамкових випромінювачів. Рішення електродинамічних задач здійснювалося із застосуванням методу векторного потенціалу і методу наведених ЕРС.
Побудована математична модель і зроблена оцінка взаємного впливу рамкових випромінювачів при довільному їх розташуванні на площині.
Проведена оптимізація геометричних параметрів еліптичної рамки з метою отримання максимальної широкосмуговості за вхідними характеристиками і оптимізація геометричних параметрів чотириелементної антенної решітки з метою отримання максимальних значень КСД.
Запропоновані конструкції широкосмугових антенних решіток для прийому програм телевізійного мовлення дециметрового діапазону хвиль.
Ключові слова: еліптичний рамковий випромінювач, малоелементна антенна решітка, математична модель, аналіз, оптимізація.
АННОТАЦИЯ
Посный О.А. – Оптимизация характеристик малоэлементных антенных решеток, состоящих из рамочных излучателей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 – Антенны и устройства микроволновой техники. – Севастопольский государственный технический университет, Севастополь, 2001.
Диссертация посвящена вопросам оптимизации характеристик малоэлементных антенных решеток, состоящих из эллиптических рамочных излучателей. В работе построены математические модели и проведен анализ характеристик эллиптических рамок и малоэлементных антенных решеток, состоящих из эллиптических рамочных излучателей. Решение электродинамических задач осуществлялось с применением метода векторного потенциала и метода наводимых ЭДС.
В результате теоретических исследований характеристик выделены режимы работы рамочной антенны, определены их частотные полосы. Особое внимание уделено режиму осевого излучения, который использован при построении малоэлементных антенных решеток и составил S/=0,717...1,525, где S – периметр рамки, - длина волны. Проанализирована поляризационная структура поля излучения эллиптической рамки. При этом установлено, что рамочный излучатель с распределением тока в виде стоячей волны формирует в пространстве поле линейной поляризации. Имеет место кроссовая компонента поля. Кросс-поляризация в плоскости ZOX отсутствует, а в плоскости ZOY уровень кросс-поляризации достигает минимальных значений в случае, когда периметр рамки равен длине волны (S/=1). Уменьшение либо увеличение S/ приводит к повышению уровня кросс-поляризации, при этом большие уровни кроссовой компоненты в режиме осевого излучения соответствуют крайним частотам диапазона. Исследовано влияние сжатия эллиптической рамки (от круглой рамки до петлевого вибратора) на ее характеристики излучения. Так увеличение эксцентриситета приводит к снижению КНД в частотной полосе режима осевого излучения. Максимальное превышение КНД круглой рамки над КНД петлевого вибратора составляет 1,6 дБ при относительном периметре S/1,3.
Далее проведен анализ характеристик излучения (ДН, УБИ, УКП, КНД) малоэлементных антенных решеток, состоящих из эллиптических рамочных излучателей. В результате анализа установлено, что увеличение эксцентриситета эллиптического излучателя при сохранении постоянного расстояния между центрами рамок приводит к незначительному снижению осевого КНД (например, не более 0,3 дБ при относительном расстоянии между элементами решетки d/=0,5). УБИ антенной решетки достигает максимальных значений на верхней частоте режима осевого излучения и возрастает при увеличении относительного расстояния между рамочными излучателями. В плоскости ZOY можно добиться взаимной компенсации кроссовых компонент полей рамок и снизить уровень кросс-поляризации в других направлениях, если рамочные излучатели в парах элементов решетки установить зажимами друг к другу, сохраняя при этом положение вектора основной поляризации. По сравнению со случаем сонаправленного расположения зажимов рамок такое расположение приводит к повышению КНД решетки.
На основе результатов исследования характеристик излучения, проведена оптимизация геометрических параметров четырехэлементной антенной решетки, состоящей из круглых рамочных излучателей, с целью получения максимальных значений КНД в полосе частот, соответствующей режиму осевого излучения.
Далее исследовано входное сопротивление эллиптической рамки в диапазоне S/=0...2. При этом изначально для круглой рамки выделено три резонанса: два параллельных (S/0,45 – “первый” и S/1,45 – “второй”) и один последовательный (S/1,1). Режиму осевого излучения соответствуют последовательный и “второй” параллельный резонансы. Изменение толщины проводника более значительно сказывается на уровнях активной и реактивной составляющих входного сопротивления рамки в области “второго” параллельного резонанса. При переходе к эллиптическим рамкам было установлено, что сжатие рамки значительно влияет не только на уровни активной и реактивной составляющих как “второго” параллельного резонанса, так и последовательного, но и приводит к смещению резонансов вдоль оси частот. Так при увеличении эксцентриситета “первый” параллельный резонанс смещался в высокочастотную область (от S/0,45 до S/0,6), а последовательный и “второй” параллельный резонансы смещались в низкочастотную область (соответственно S/1,1 S/1,0 и S/1,45 S/1,3). Увеличение эксцентриситета приводит к росту среднего значения активной части входного сопротивления в области последовательного резонанса, что имеет значение при управлении входным сопротивлением антенны с целью согласования ее с питающим фидером. Оптимальное значение эксцентриситета, соответствующее максимальной широкополосности входного сопротивления эллиптической рамки для =0,0025S составило opt=0,94.
Получены формулы для расчета собственного и взаимного сопротивлений излучения круглых рамок. Произведена оценка взаимного влияния рамочных излучателей при различных вариантах их расположения на плоскости. Установлено, что активная составляющая собственного сопротивления излучения рамки R11 имеет осциллирующе-возрастающий характер с ростом S/, при этом увеличение S/ приводит к снижению X11; по сравнению со случаем сонаправленного расположения зажимов рамок, расположение рамок зажимами друг к другу приводит к смене знака реактивной составляющей вносимого сопротивления; смена знака взаимного сопротивления позволяет в частотном диапазоне компенсировать реактивную составляющую собственного сопротивления излучения рамки.
Экспериментальные исследования подтвердили адекватность разработанных математических моделей.
Предложены конструкции широкополосных антенных решеток, которые можно использовать в качестве дециметровых телевизионных антенн.
Ключевые слова: эллиптический рамочный излучатель, малоэлементная антенная решетка, математическая модель, анализ, оптимизация.
