НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“
КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Проценко Михайло Борисович
УДК 621.396.67.095.3: 621.396.677.45
АНАЛІЗ І СИНТЕЗ ДРОТОВИХ АНТЕН
КРИВОЛІНІЙНОЇ ФОРМИ
05.12.07 – Антени та пристрої мікрохвильової техніки
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України на кафедрі радіотехніки.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор ЛОБКОВА Любов Михайлівна, професор кафедри радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ІЛЬНИЦЬКИЙ Людвіг Якович, професор кафедри електродинаміки Національного авіаційного університету, заслужений професор Національного авіаційного університету (м. Київ).
доктор фізико-математичних наук, професор ГОРОБЕЦЬ Микола Миколайович, завідувач кафедри прикладної електродинаміки Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна
доктор технічних наук, професор МАЧУСЬКИЙ Євген Андрійович, декан факультету інформаційної безпеки фізико-технічного інституту Національного технічного університету України “КПІ”
Провідна установа: Науково-виробниче об’єднання “Сатурн”, м. Київ
Захист відбудеться “ 28 ” квітня 2005 року о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради Д 26.002.14 Національного технічного університету України “КПІ” (03056, м. Київ – 56, пр. Перемоги,37, корп.1, ауд. 163 ).
З дисертацією можна ознайомитись в Центральній науковій бібліотеці НТУУ (03056, м. Київ – 56, пр. Перемоги,37).
Автореферат розісланий “ 25 ” березня 2005 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої Ради Л.О. Уривський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Ефективність роботи радіосистем різного призначення великою мірою визначається характеристиками антен, які, у свою чергу, здійснюють первинну обробку радіосигналів (поляризаційну, просторову, частотну).
Стосовно до сучасних антенних систем, можна виділити ряд специфічних вимог: використання поляризаційних властивостей електромагнітного поля, у першу чергу, для підвищення стійкості радіозв'язку; формування неспрямованого, слабкоспрямованого та високоспрямованого випромінювань у діапазонах хвиль, використовуваних різними радіослужбами; забезпечення широкосмужності антенних систем при відносно малих їх габаритних розмірах.
Найбільш повно даним вимогам задовольняють криволінійні дротові антени, включаючи спіральні та рамкові випромінювачі. Дослідження даного класу антен було почато в 50-х роках, і одними з перших монографій у світовій літературі з'явилися книги за редакцією Л.С. Бененсона, В. Рамзея, а потім ряд цінних результатів було опубліковано в книзі авторів під керівництвом А.Н. Казаріна, де узагальнені методи розрахунку та проектування різних типів спіральних антен. В даний час розвиток теорії та практики спіральних антен просліджується в роботах учених Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна (М.М. Горобець, К.П. Яцук, та ін.), закордонних учених (H. Nakano). Роботи цих та інших авторів є одним з теоретичних напрямків сучасної теорії криволінійних дротових антен різної конфігурації.
Враховуючи накопичені методики та отримані результати, актуальною проблемою залишається побудова єдиної теорії конструктивного синтезу криволінійних дротових антен, за допомогою якої по заданих вимогах до характеристик антен визначають конструктивні рішення. Складність рішення даної проблеми полягає в різноманітності вихідних вимог до характеристик антен: їх спрямованості; діапазонним властивостям; поляризації поля випромінювання. Існуючі в даний час математичні моделі та методи, у зв'язку зі складністю та неоднозначністю рішення задачі конструктивного синтезу криволінійних випромінювачів, дозволяють повноцінно вирішувати тільки задачі аналізу характеристик антен. Як правило, такі рішення обмежуються досить відомими конструкціями антен. Альтернативним рішенням задачі конструктивного синтезу антен є одержання аналітичних співвідношень і апроксимуючих номограм шляхом теоретичного й експериментального досліджень великої кількості випромінювачів з різною конфігурацією, у тому числі рамкових і спіральних антен, створення пакетів прикладних програм.
Особливу увагу при цьому заслуговують також теоретичні методи дослідження характеристик рамкових і спіральних антен. Так, для більш точного математичного опису даних антенних систем необхідне використання ефективних обчислювальних алгоритмів, а їх створення, у свою чергу, вимагає глибокого вивчення фізичної сторони процесів випромінювання та збудження антен. Усе це визначає задачу методологічного пророблення результатів досліджень з метою створення більш досконалих методик проектування.
Практична побудова антенних систем друга частина загальної проблеми, що включає питання конструювання антен (дослідження впливу конструктивних параметрів антени на її характеристики), метрологічного забезпечення при атестації антен, розробки прямих та непрямих методів вимірів антен, створення автоматизованих вимірювальних комплексів відповідних діапазонів хвиль і підвищеної точності вимірів.
Таким чином, у такій постановці проблема аналізу і синтезу криволінійних дротових антен набуває загальний характер, тому що вона зв'язана з рішенням традиційних електродинамічних задач, задач аналізу потенційних властивостей та конструктивного синтезу антенних систем, а також рішення задач антенних вимірів, що визначає її актуальність і практичну значимість.
Рішенню цієї проблеми і присвячений зміст даної дисертації.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які представлені в дисертаційній роботі, є складовою частиною науково-дослідних робіт (НДР), виконаних на кафедрі радіотехніки Севастопольського національного технічного університету в рамках координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України. Результати дисертаційної роботи представлені в звітах держбюджетних НДР: “Розробка інженерних методів розрахунку антенних систем для наземних служб зв'язку в метровому та дециметровому діапазонах хвиль”, 1997 р., № ДР 0198U002230, Інв. № 0399U003448; “Розробка математичної моделі морського каналу зв'язку та дослідження електродинамічних характеристик випромінюючих систем для морських трас”, 1998 р., № ДР 0198U002842, Інв. № 0201U003399; “Розробка математичної моделі каналу зв'язку дециметрового діапазону для гористої місцевості та дослідження електродинамічних характеристик випромінюючих систем для цих трас”, 1999 р., № ДР 0198U002842, Інв. № 0201U003399; “Розробка статистичної моделі каналу зв'язку та макетів нових частотно-незалежних антен дециметрового і сантиметрового діапазонів”, 2000 р., № ДР 0198U002842, Інв. № 0201U003399; “Розробка математичної моделі побудови гібридно-дзеркальних антен із застосуванням малоелементних антенних решіток”, 2001 р., № ДР 0101U00101; “Теоретичні й експериментальні дослідження гібридно-дзеркальних антен зі зміщеною фокальною віссю”, 2002 р., № ДР 0101U00101.
Мета і задачі дослідження теоретичне й експериментальне дослідження закономірностей і особливостей формування поля випромінювання, включаючи визначення поляризаційних характеристик, вхідного опору дротових антен криволінійної форми, а саме: рамкових та спіральних антен різної конфігурації і довільних розмірів; одержання на цій базі нових технічних рішень антен і антенних систем з поліпшеними характеристиками.
Відповідно до зазначеної мети, в роботі ставляться наступні основні задачі наукових досліджень:
1.
Розробка теоретичних підходів до аналізу характеристик дротових випромінювачів криволінійної форми, що включають рамкові та спіральні структури довільних розмірів.
2.
Розробка математичних моделей для опису амплітудно-фазового розподілу струму уздовж криволінійного дротового випромінювача.
3.
Розробка математичних моделей для опису поляризаційних, спрямованих, частотних, енергетичних характеристик криволінійних дротових антен, їх вхідного опору.
4.
Розвиток поляризаційних представлень поля випромінювання антен з обертовою поляризацією в довільному поляризаційному базисі.
5.
Проведення теоретичних і експериментальних досліджень характеристик випромінювання, вхідного опору рамкових випромінювачів еліптичної форми; малоелементних антенних решіток, що складаються з таких випромінювачів.
6.
Проведення теоретичних і експериментальних досліджень характеристик випромінювання, вхідного опору спіральних випромінювачів, розміщених на різних поверхнях (еліптичному циліндрі, півсфері, конусі, площині), та їх модифікацій у виді зиґзаґоподібної структури і спірального випромінювача, розташованого на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях.
7.
Проведення теоретичних і експериментальних досліджень спіральних антен з керованою поляризацією випромінювання.
8.
Розробка експериментальних методів дослідження поляризаційних характеристик поля випромінювання антен з обертовою поляризацією, створення вимірювального комплексу та проведення експериментальних досліджень характеристик рамкових і спіральних антен.
9.
Синтез нових типів антен на основі рамкових та спіральних випромінюючих структур, включаючи одержання аналітичних апроксимуючих співвідношень та номограм, розробку пакетів прикладних програм для їх проектування.
Об'єктом дослідження є дротові антени криволінійної форми, а саме: еліптичні рамкові випромінювачі та малоелементні решітки, що складаються з них; спіральні випромінювачі різної конфігурації і довільних розмірів, та їх модифікації, що дозволяють сформувати поле випромінювання з різними видами поляризації.
Предметом дослідження є електромагнітні поля, створювані рамковими і спіральними антенами та описувані поляризаційними, спрямованими, частотними й енергетичними характеристиками, вхідний опір досліджуваних антен.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження характеристик рамкових і спіральних антен ґрунтувалися на використанні інтегральних рівнянь теорії антен, отриманих на основі методу векторного потенціалу; застосуванні методу наведених ЕРС; узагальненого методу наведених ЕРС. Експериментальні дослідження характеристик рамкових і спіральних антен проводилися з використанням як традиційних методів виміру вхідних і спрямованих характеристик, так і оригінальних методів виміру поляризаційних характеристик антен.
Наукова новизна визначається наступними отриманими результатами:
1.
Уперше запропонований новий варіант використання рівняння Харрингтона в сукупності з методом наведених ЕРС у класичній і узагальненій формах для розрахунку функції амплітудно-фазового розподілу струму уздовж дротових антен криволінійної форми, їх вхідного опору.
2.
Розвинуті основні положення методу векторного потенціалу для розрахунку й аналізу поляризаційних, спрямованих та енергетичних характеристик дротових антен криволінійної форми. Отримано нові математичні моделі, що описують геометричну конфігурацію рамкових і спіральних антен заданої форми.
3.
Отримано нові аналітичні вирази у виді узагальненої математичної моделі поля випромінювання еліптичного спірального випромінювача, що дозволяє проводити аналіз широкого класу криволінійних дротових антен (спіральні еліптичні та циліндричні випромінювачі; зиґзаґоподібні випромінювачі).
4.
Представлено результати теоретичних досліджень рамкових випромінювачів еліптичної форми та малоелементних антенних решіток з таких випромінювачів. Виявлені їх потенційні спрямовані та частотні властивості.
5.
Представлено результати теоретичних досліджень спіральних випромінювачів, розташованих на різних поверхнях (еліптичний циліндр, півсфера, конус, площина). Результати досліджень уперше представлені у формі номограм, що дозволяють проводити конструктивний синтез спіральних антен.
6.
Представлено результати експериментальних досліджень рамкових випромінювачів і малоелементних антенних решіток, що складаються з них; спіральних випромінювачів, розміщених на еліптичному циліндрі, півсфері, конусі, площині, та їх модифікації у вигляді зиґзаґоподібного випромінювача, спірального випромінювача, розташованого на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях; спіральних антен з керованою поляризацією випромінювання у вигляді плоского спірального випромінювача з двоканальним збудженням та суміщеної циліндричної спіральної антени.
7.
Запропоновано методи експериментального дослідження поляризаційних характеристик поля випромінювання антен з обертовою поляризацією.
Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:
1.
Розроблено методику проектування, включаючи конструктивний синтез рамкових і спіральних антен, яка заснована на використанні аналітичних апроксимуючих співвідношень та номограм, що описують взаємозв'язок електродинамічних характеристик розроблювальних антен з їх геометричними параметрами.
2.
Розроблено методи експериментального дослідження спрямованих, поляризаційних характеристик антен з обертовою поляризацією.
3.
Розроблено оригінальні конструкції антен з використанням рамкових випромінювачів:
-
навантажений рамковий випромінювач, призначений для використання в якості пеленгаційної антени;
-
малоелементні антенні решітки (двох- і чотириелементні) з рамкових випромінювачів, які призначені для використання в якості приймальної телевізійної антени дециметрового діапазону хвиль;
-
восьмиелементні антенні решітки з навантажених напіврамок еліптичної форми, які призначені для роботи в якості антени мобільного радіопеленгатора.
4. Розроблено оригінальні конструкції антен з використанням спіральних і зиґзаґоподібних випромінювачів:
-
еліптична спіральна антена, напівсферична спіральна антена, плоска спіральна антена, конічна спіральна антена;
-
високоспрямовані антени лінійної та кругової поляризації на основі зиґзаґоподібних структур: зиґзаґоподібна антена з двома взаємно пересічними полотнинами та хрестоподібна антена з зиґзаґоподібного провідника;
-
неспрямована антена з обертовою поляризацією випромінювання на основі двохзахідної спіралі, розташованій на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях;
-
антени з керованою поляризацією випромінювання у вигляді плоского спірального випромінювача з двоканальним збудженням та суміщеної циліндричної спіральної антени.
5. Розроблено прикладне програмне забезпечення в пакетах MathCAD 7,0 і Borland Delphi для розрахунку, автоматизованого аналізу та моделювання характеристик рамкових і спіральних антен без обмежень на їх розміри, а також антенних систем на їх основі.
Результати теоретичних і експериментальних досліджень та розробки рамкових і спіральних антен, у тому числі оригінальних конструкцій у виді зиґзаґоподібних антен, спіральної антени, розташованій на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях, спіральних антен з керованою поляризацією, впроваджені на підприємствах державної інспекції електрозв'язку України, на державному підприємстві “Конструкторське бюро радіозв'язку” м. Севастополь; у Національному центрі керування й іспитів космічних засобів, м. Євпаторія.
Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані чи особисто автором, чи при його особистій участі, чи під його керівництвом. Із спільних публікацій використані тільки ті матеріали, у яких є вагомий внесок автора, включаючи: обґрунтування та постановку задач теоретичних і експериментальних досліджень; розробку математичних моделей та обчислювальних алгоритмів; створення експериментальних методів, їх аналіз і реалізація; обробка результатів досліджень, їх фізична інтерпретація та узагальнення; формулювання висновків і практичних рекомендацій.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися й обговорювалися на: Millenium Conference on Antennas & Propagation (Davos, Switzerland, 2000); VIII-th and IX-th International Conferencies on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Kharkov, 2000, Kiyv, 2002); XXVI-th General Assembly URSI (Toronto, Canada, 1999); III-rd International Conference on Antennas Theory and Techniques (Sevastopоl, 1999); 10-th International Symposium on Antennas (Nice, France, 1998); 6-й, 8-й …12-й міжнародних конференціях “СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, 1996, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002); 9-й міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 2002); Всеросійській науковій конференції “Физика радиоволн” (Томск, Россия, 2002); Всеросійській науково-технічній конференції “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (Таганрог, Россия, 2001); науковому семінарі кафедри основ радіотехніки Харківського національного технічного університету радіоелектроніки; науковому семінарі кафедри прикладної електродинаміки Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна; наукових семінарах кафедри радіотехніки Севастопольського національного технічного університету.
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 58 наукових праць, у тому числі 25 статей у науково-технічних журналах [1 25], 6 патентів на винаходи [26 31], 27 статей і тез доповідей у збірниках праць конференцій [32 58].
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використовуваних джерел і трьох додатків. Вона викладена на 336 сторінках основного тексту, що включають 103 рисунків (з них 45 сторінок містять тільки рисунки). Список використовуваних джерел нараховує 230 найменувань на 25 сторінках, три додатки представлені на 87 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, відображається зв'язок роботи з програмами та планами НДР, сформульовані мета та основні задачі досліджень, визначається наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, наводяться відомості про реалізацію та впровадження основних результатів роботи, визначений особистий внесок здобувача в опублікованих роботах, представлені відомості про апробацію та публікацію результатів, структуру дисертації.
Перший розділ “Огляд існуючих підходів до аналізу та синтезу криволінійних дротових випромінювачів” частково носить оглядовий і, у більшій мірі, основний характер. У ньому представлені рівняння, загальні співвідношення електродинаміки стосовно до задач збудження та випромінювання дротових антен криволінійної форми, що використовуються протягом усієї роботи.
Сформульовані основні задачі проектування та методи їх рішення стосовно до криволінійних дротових випромінювачів у вигляді рамкових і спіральних антен і антенних систем на їх основі.
Проведено огляд і аналіз методів розрахунку рамкових та спіральних випромінювачів. Показано, що метод наведених ЕРС (узагальнений метод наведених ЕРС) еквівалентний методу моментів, реалізований із застосуванням методу Гальоркіна при кусочно-синусоїдальних базисних функціях.
Показано, що використання асимптотичних методів, які засновані на теорії довгих ліній, для аналізу розподілу струму та вхідного опору дротових антен дозволяє з достатньою для інженерних розрахунків точністю оцінити характер їх зміни при невеликих обчислювальних витратах. Подальший розвиток даних методів можливий шляхом узагальнення їх на випромінювачі довільної конфігурації та повного врахування випромінюючих властивостей, заснованих на фізичній інтерпретації електродинамічних процесів в антені.
Таким чином, обґрунтований вибір основних методів аналізу рамкових і спіральних антен: для рішення зовнішньої задачі (задачі випромінювання) метод векторного потенціалу; для рішення внутрішньої задачі (задачі збудження) метод наведених ЕРС (узагальнений метод наведених ЕРС), визначені їх обмеження та шляхи розвитку.
Другий розділ “Методи рішення задач збудження рамкових і спіральних структур” присвячений розробці математичних моделей амплітудно-фазового розподілу струму та вхідного опору рамкових і спіральних антен з використанням методу наводимих ЕРС у класичній і узагальненій формах, їх аналізу.
Обґрунтовано застосовність методу наводимих ЕРС для розрахунку й аналізу характеристик рамкових випромінювачів, представлена математична модель розподілу струму і вхідного опору рамкових випромінювачів з використанням методу наводимих ЕРС, запропонований варіант розвитку даного методу на основі ітераційної процедури.
Показано, що врахування випромінюючих властивостей рамкового випромінювача можливе на основі розрахунку його комплексного опору випромінювання Z= R+jX відносно пучності струму
, (1)
де I0 комплексна амплітуда струму в точці збудження; k хвильове число вільного простору; s поточна координата уздовж провідника; a хвильовий опір антени.
Введення Z в модель еквівалентної довгої лінії, наприклад, у вигляді зосередженого навантаження в точку пучності струму (1), і подальше його перетворення до входу антени, дозволяє уточнити функцію розподілу струму в антені, а також обчислити Zвх.
Представлено математичну модель і результати аналізу взаємного впливу рамкових випромінювачів у складі двохелементної антенної решітки при різному їх розташуванні на опір випромінювання Z. Представлені результати дозволяють установити наступне:
-
граничне значення відносних розмірів рамкових випромінювачів, на основі якого ще можливо їх дипольне представлення, складає ka0,3 при відносній відстані між ними kd3,0;
-
зміна положення точок збудження круглих рамок, при збереженні поляризаційної структури випромінюваних ними полів, дозволяє в широких межах змінювати значення реактивної складової взаємного опору випромінювання X12. Відповідно до цього, можна стверджувати про можливість керування взаємним впливом елементів, аж до повної компенсації реактивної складової X12, зберігаючи при цьому необхідний рівень активної складової R12 в широкій смузі частот.
Розроблено методику розрахунку й аналізу спіральних антен довільної конфігурації з використанням узагальненого методу наводимих ЕРС.
Для цього отримано вирази для визначення взаємних опорів випромінювання довільних криволінійних сегментів, а також розроблений алгоритм обчислення функції розподілу струму і вхідного опору спіральних антен на основі інтегро-диференціального рівняння Харрингтона
, (2)
де I(s’), дI(s’)/дs’ функція амплітудно-фазового розподілу струму і її похідна по довжині випромінюючого провідника s; G(R)=exp(-jkR)/R, дG(R)/дs функція Гріна для вільного простору і її перша похідна по довжині випромінюючого провідника; R відстань між точками спостереження й інтегрування; одиничні орти в напрямку осі провідника, що відповідають точкам спостереження і інтегрування; Eст стороння напруженість поля.
Створено обчислювальні програми на основі (2) для чисельного аналізу дротових антен криволінійної форми у пакеті MathCAD і Borland Delphi.
Третій розділ “Поляризаційна структура поля випромінювання антен з обертовою поляризацією” присвячений аналізу поля випромінювання криволінійних дротових антен.
Виконано аналіз поляризаційних параметрів (ПП) електромагнітної хвилі (ЕМХ), розглянуті основні види розкладання ЕМХ в різних ортогональних поляризаційних базисах (лінійному, круговому). Розкладання ЕМХ у круговому базисі показало, що визначення коефіцієнта еліптичності (КЕ) та напрямку обертання вектора напруженості електричного поля можливо тільки лише на основі модуля поляризаційного відношення. Це дозволяє експериментально досліджувати КЕ без проведення фазових вимірів. При цьому дослідження діаграм спрямованості (ДС) антен з обертовою поляризацією доцільно проводити як у лінійному E(), E() так і круговому Eлів(), Eпр() поляризаційному базисах. Це дозволяє одержати непряму інформацію про всіх ПП ЕМХ і, відповідно, повно аналізувати спрямовані властивості антен, їх поляризаційні характеристики.
При дослідженні енергетичних характеристик антен з обертовою поляризацією доцільно вводити в розгляд парціальні складові коефіцієнта спрямованої дії (КСД) для лінійних і кругових компонентів поля випромінювання, що характеризують частку щільності потоку потужності на визначеному виді поляризації.
Доведено існування оптимального виду поляризації, отриманого на основі аналізу поляризаційного коефіцієнта зв'язку з урахуванням дифракційних параметрів радіоканалу. Зроблено оцінку ефективності оптимального виду поляризації та статистичних параметрів поляризаційних характеристик приймальної антени з оптимальним видом поляризації.
Четвертий розділ “Рамкові антени та малоелементні антенні решітки на їх основі” присвячений чисельному моделюванню й аналізу характеристик рамкових випромінювачів і малоелементних антенних решіток, що складаються з них.
Представлено математичні моделі поля випромінювання еліптичного рамкового випромінювача (рис. 1); хвильового опору на основі методу середнього потенціалу (метод Хоу); комплексного опору випромінювання та вхідного опору з використанням методу наводимих ЕРС, а також узагальненого методу наводимих ЕРС .
Проведено розрахунок і аналіз характеристик випромінювання ненавантажених рамкових антен і рамок з навантаженням у широкому діапазоні зміни їх конструктивних і електричних параметрів; виявлені потенційні спрямовані та широкосмугові властивості таких випромінювачів.
Для ненавантажених рамкових випромінювачів установлено:
-
наявність широкосмугового режиму осьового випромінювання, а саме: при відносному периметрі P/=0,717…1,525 поле рамки зосереджене переважно в напрямку осі симетрії, ортогональної площині рамки; ДС в осьовому напрямку рамки зберігаються практично незмінними в широкому частотному діапазоні (0,1< P/ < 1,8);
-
у площині симетрії рамки, що проходить через цю вісь між затискачами рамки, поляризація поля лінійна, причому вектор електричного поля рівнобіжний затискачам рамки.
Для рамкових випромінювачів з навантаженням виявлено:
-
наявність широкосмугового режиму зворотного осьового випромінювання з кардіоїдною формою ДС; граничні значення відносного периметра P/ рамки є P/ 0,8…1,0;
-
зменшення відносного периметра P/ рамки щодо граничного значення призводить до зменшення коефіцієнта підсилення (діючої довжини) при збереженні спрямованих властивостей антени;
-
обмежуючи частотний діапазон (габаритні розміри) рамкового випромінювача у високочастотній області збереженням спрямованих властивостей, а в низькочастотній області припустимим зменшенням коефіцієнта підсилення, для практичних цілей можна рекомендувати значення 0,1…0,4 <<P/ <<0,8…1,0;
-
при рівних габаритних розмірах досліджених варіантів рамкових випромінювачів кращими характеристиками в діапазоні частот (більше значення коефіцієнта підсилення, більше захисна дія) мають рамки круглої та еліптичної форми: у діапазоні 0,1…0,4<<P/<<0,8…1,0 кругла рамка має коефіцієнт захисної дії (КЗД) 15 дБ; еліптична рамка (ексцентриситет еліпсу e= 0,75) 40 дБ, при цьому коефіцієнт підсилення дорівнює –3… –4 дБ щодо випромінювача круглої форми;
-
істотного збільшення рівня КЗД можна досягти включенням комплексного навантаження з Rн=а і ємнісним характером реактивності, однак внаслідок частотної залежності величини навантаження погіршуються діапазонні властивості антени;
-
вхідний опір навантажених рамкових випромінювачів, також незалежно від форми випромінювача: кругла, еліптична, слабко змінюється з частотою, що дозволило за допомогою симетрующе-трансформуючого пристрою, одержати коефіцієнт стоячої хвилі (КСХ) у фідері з хвильовим опором 75 Ом не більш 1,45 у діапазоні частот 50…550 МГц .
Порівняння отриманих характеристик рамкових випромінювачів (ненавантажених і з навантаженням) з характеристиками, що розраховані на основі узагальненого методу наведених ЕРС, показало досить високий ступінь їх відповідності.
Розглянуто спрямовані та поляризаційні характеристики поля випромінювання антенних систем у вигляді двох і чотириелементних антенних решіток, що складаються з рамкових випромінювачів круглої та еліптичної форми, їх вхідний опір.
Аналіз ДС малоелементних антенних решіток, що складаються з еліптичних рамкових випромінювачів, дозволив виявити, що:
-
такі антени мають більш високі спрямовані властивості при меншій кількості елементів, наприклад, у порівнянні з лінійними випромінювачами (КСД 10 дБ двохелементні, та КСД 12...13 дБ чотириелементні решітки з екраном);
-
встановлено, що для двохелементної антенної решітки, котра складається з ідентичних рамкових випромінювачів круглої форми (хвильові рамки 2а=0), спостерігається розширення смуги частот по вхідному опору в 1,52 разу при аксіальному розташуванні випромінювачів на відстані da опт=0,640, та у 1,12 разу при компланарному їх розташуванні вхідними затискачами один до одного, також на відстані dk опт=0,640, де 0 середня довжина хвилі, завдяки взаємозв'язку випромінювачів.
Розроблений навантажений рамковий випромінювач, призначений для використання як пеленгаційна антена в комплекті з апаратурою ручного пеленгування.
Розроблена чотириелементна антенна решітка на основі круглих рамок, яка призначена для використання як приймальна телевізійна антена дециметрового діапазону хвиль. Отримано наступні основні характеристики: смуга частот 400...890 МГц; коефіцієнт підсилення в смузі частот 10...13,4 дБ; рівень узгодження (КСХ) у смузі частот не більший 2,1.
Розроблена двохелементна антенна решітка на основі еліптичних рамок, яка призначена також для використання як приймальна телевізійна антена дециметрового діапазону хвиль. Отримано наступні основні характеристики: смуга частот 440...930 МГц; коефіцієнт підсилення в смузі частот 9,2...10,4 дБ; рівень узгодження (КСХ) у смузі частот не більший 2,0.
Розроблено дві восьмиелементні антенні решітки з навантажених напіврамок еліптичної форми, призначені для роботи в діапазонах частот 30...500 МГц і 500...1000 МГц у якості антени мобільного радіопеленгатора.
П’ятий розділ “Спіральні антени різних модифікацій” присвячений представленню результатів теоретичних та експериментальних досліджень спіральних антен, атестації антен на основі зиґзаґоподібних структур, антени на основі двохзахідної спіралі, розташованій на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях, антен з керованою поляризацією випромінювання.
Запропоновано варіанти спіральних випромінювачів і розглянуто їх геометричне представлення на криволінійних поверхнях другого порядку, та на площині:
-
рівнокутний однозахідний спіральний випромінювач, розташований на еліптичному циліндрі (часткові випадки однозахідний циліндричний спіральний випромінювач, зиґзаґоподібний випромінювач); випромінювач, розташований над плоским екраном і збуджується джерелом ЕРС, розміщеним у площині екрана на великій (малій) осі еліпса поперечного перерізу (рис. 2);
-
рівнокроковий двохзахідний спіральний випромінювач, розташований на півсфері (рис. 3);
-
двохзахідний плоский спіральний випромінювач; вид намотування спіралі – рівнокутний (рис. 4,а); рівнокроковий (рис. 4,б); з перемінною щільністю намотування (рис. 4,в);
-
двохзахідний спіральний випромінювач, розташований на еліптичному конусі з перемінною щільністю намотування (рис. 5).
Отримано вирази для визначення декартових координат розглянутих варіантів спіральних випромінювачів у параметричному виді.
Представлена математична модель поля випромінювання еліптичної спіралі (рис. 2), за допомогою якої отримані нові аналітичні співвідношення для інженерного вибору оптимальних геометричних параметрів циліндричних спіральних антен (ЦСА), еліптичних спіральних антен (ЕСА) з різним значенням коефіцієнта стиску, а також зиґзаґоподібних антен, у вигляді
; (3)
, (4)
де E1=-j30kaI0exp(-jkR0)/R0; 1=ka(tgcos-sec); 4=kasin(1-e2sin2)0,5; I0 значення струму на вході випромінювача; R0 відстань між початком відліку і точкою в дальній зоні антени; коефіцієнт електродинамічного уповільнення фазової швидкості хвилі струму; =arctg(tg(1-e2)0,5); Jm1() і Jm2() функції Бесселя першого роду m1- і m2- порядку від аргументу ; Cm1,m2=11-2m1+ m2; a і e параметри еліпса поперечного перерізу еліптичного циліндра; і n кут намотування та число витків спіралі; max=2n;
;
.
Отримані вирази (3) і (4) представлені в замкнутому аналітичному вигляді, що дозволило виявити взаємозв'язок між геометричними параметрами спіральної антени за умови формування нею поля в осьовому напрямку з круговою поляризацією і максимальною спрямованістю випромінювання (максимальний КСД).
Представлено результати комплексного аналізу характеристик випромінювання: однозахідних ЦСА і ЕСА при двох положеннях точки збудження (велика чи мала осі еліпса поперечного перерізу); двохзахідної напівсферичної спіральної антени (НсфСА); двохзахідної плоскої спіральної антени (ПСА) з перемінною щільністю намотування витків; двохзахідної конічної спіральної антени (КСА). Одержано графічні залежності (номограми) зміни характеристик випромінювання зазначених антен від їх геометричних параметрів у широкому діапазоні частот. Виявлено закономірності та особливості формування ними поля випромінювання в дальній зоні, а саме: потенційні спрямовані, поляризаційні та частотні властивості, їх вхідний опір.
Встановлено, що загальним для всіх спіральних випромінювачів є:
-
наявність режимів односпрямованого та слабкоспрямованого випромінювання з максимальним КЕ і максимальним КСД;
-
здатність формування необхідних характеристик (спрямованих, як у лінійному, так і круговому поляризаційних базисах; поляризаційних; енергетичних; вхідних) за рахунок зміни параметрів намотування спіралі на заданій поверхні;
-
здатність одержання спіральними антенами високих значень КЕ поля випромінювання в заданому напрямку та секторі кутів;
-
характер зміни активної та реактивної складових Zвх, описуваними двома зонами: зоною резонансної зміни Zвх і зоною постійних (слабко змінюються) значень Zвх, у якій відносна довжина випромінюючого провідника спіралі складає (2...4), де середня довжина хвилі.
Зокрема, для ЦСА (рис. 6 і рис. 7):
-
основна область режиму прямого осьового випромінювання ЦСА, у якому max 0 град., знаходиться в межах зміни кута намотування витків спіралі =1…20 град. і відносного периметра циліндричної поверхні kRц =0,8…1,4;
-
оптимальне значення кута підйому витків спіралі опт при відносному периметрі циліндричної поверхні kRц 1,0 складає опт=16…18 град. і відповідає максимальному коефіцієнту перекриття по частоті Kf =
1,75;
-
при збільшенні кількості витків спіралі n виділена область режиму прямого осьового випромінювання, починаючи з n4, характеризується сталістю характеристик випромінювання, за винятком незначного підвищення КСД у максимумі (не більш 2 дБ), а також звуженням робочої смуги частот (не більше ніж на 7 %);
-
у виділеній області частотна зміна КСД носить періодичний характер, причому на краях області КСД має максимальні значення D=10…12 дБ, а в центрі – відбувається спад на 6 дБ для лінійних складових і на 3,5 дБ для основної (лівосторонньої) поляризаційної компоненти. Це погоджується з залежностями зміни ширини ДС, що у центрі області досягають значень -3 дБ= 90 … 100 град., а до країв області зменшуються до -3 дБ= 50… 60 град.
Таким чином, збільшення КСД до країв виділеної області обумовлено зменшенням ширини ДС при збереженні прийнятного рівня бічних пелюстків. При цьому КЕ досягає свого максимального значення КЕ>0,9 (рис. 7) у центрі виділеної області, тобто при мінімальному значенні КСД (рис. 6) і максимальній ширині ДС. Для ЕСА при зміні ексцентриситету e (відносини півосей b/a) еліпса поперечного перерізу ЕСА місце розташування області осьового випромінювання на частотній площині не змінюється; зі збільшенням e відбувається також незначне збільшення ширини ДС у площині, ортогональній розташуванню точки збудження.
При цьому КСДлів (основна поляризація) і КЕ зберігають свої значення до b/a=0,5 (e=0,87). Таким чином, перехід від ЦСА до ЕСА призводить до збільшення сектора кутів ДС, у межах якого зберігається обертова поляризація з високим значенням КЕ і КСД.
Для ЦСА отримано, що в області режиму осьового випромінювання f=0,70…1,30 ГГц вхідний опір з ростом частоти незначно зменшуються і складає: Rвх=150 20 Ом і Xвх= – 80 15 Ом.
Для ЕСА від ступеня стиску ЦСА і від місця положення точки збудження ЕСА, відповідно, на великій чи малій осі еліпса поперечного перерізу) активна складова вхідного опору ЕСА може зміняться в широких межах. Для e=0,7 b/a=0,7 ЕСА–1 і a/b=0,7 ЕСА–2) Rвх на середній частоті виділеного діапазону (f=1,00 ГГц) приймає значення від 120 до 220 Ом, причому Xвх на цій частоті залишається постійною і складає –80 Ом.
Для НсфСА основним режимом випромінювання є односпрямований режим зворотного осьового випромінювання (випромінювання у бік вершини півсфери). Для цього режиму область максимального КЗД (КЗД 10 дБ) починається з n=3 для kRсф=1,72 і при збільшенні n зміщується в напрямку зменшення kRсф, досягаючи для n=10 значення kRсф=1,26. Отримана апроксимаційна залежність області максимального КЗД.
Для лінійних компонентів поля випромінювання E, E що відповідають залежності КЗД і КЗД по своєму рівню та по положенню відносно kRсф аналогічне КЗД, тобто придушення заднього випромінювання лінійних поляризаційних компонентів відповідає придушенню заднього випромінювання для загального поля випромінювання E0. Однак на відміну від КЗД зміна КЗД і КЗД один відносно другого зрушено на чверть витка і чергується з періодом у піввитка, тобто при досягненні максимального значення КЗД, КЗД має мінімальне значення.
Режим зворотного осьового випромінювання НсфСА є вузькосмуговий. Зокрема, якщо вважати граничними частоти, на яких рівень заднього випромінювання перевищує припустимий, КЗД10 дБ, то смуга частот буде складати f=(15…25)%. У виділеному режимі основний пелюсток ДС практично не змінює свою форму і його ширина складає -3 дБ= 80…90 град.; осьовий КЕ має значення 0,7…0,9 (максимальний КЕ=0,95); ширина поляризаційної діаграми 90…110 град. Отримана апроксимаційна залежність області максимального КЕ.
Аналіз частотної зміни КСД НсфСА показав, що КСДлів основного поляризаційного компонента поля випромінювання після досягнення максимального значення КСДлів 6,5 дБ для n=3 (КСДлів 7,0 дБ для n=5) незначно зменшується. При цьому осциляції чисельних значень КСДлів складають більш ніж 1,5 дБ. Однак, для парціальних КСД лінійних складових поля випромінювання осциляції чисельних значень КСД значні (зміни відбувається в межах від 0 до 6 дБ), причому спостерігається періодичність зміни (максимум КСД відповідає мінімуму КСД і навпаки).
Для НсфСА зміна вхідного опору характеризується виділеними зонами, межа яких зі збільшенням n зміщується у бік низьких частот і складає: fгр1,30 ГГц для n=3 і fгр1,10 ГГц для n=5. У зоні постійних значень Zвх змінюється незначно, у межах: Rвх =250 20 Ом і Xвх = –40 30 Ом для n=3, і відповідно, Rвх =200 25 Ом і Xвх = –5 5 Ом для n=5.
Для ПСА проведена оптимізація геометричних параметрів ПСА (рівнокрокових і рівнокутних) з використанням моделі струму у виді хвилі, що біжить, яка за критерієм формування антеною поля випромінювання з максимумом КЕ виявила:
-
рівнокрокові випромінюючі спіралі в порівнянні з рівнокутними мають більш стабільні поляризаційні характеристики, причому збільшення числа витків активної зони антени (n4 ) призводить до збігу зазначених характеристик;
-
оптимальні геометричні параметри рівнокрокової та рівнокутної випромінюючих спіралей також мають відзначену особливість, при цьому спостерігається сильна залежність постійної рівнокутних випромінюючих спіралей від кількості витків активної зони, особливо при n4, що істотно утрудняє їх конструктивну реалізацію.
Відзначено також (розрахунок струму з використанням узагальненого методу наводимих ЕРС), що зі збільшенням частоти збудження (відносно kRmax1,70) двохзахідна ПСА (рівнокрокова спіраль) формує поле кругової поляризації, при цьому відбувається поступове зменшення ширини ДС від -3 дБ=110…120 град. до -3 дБ= 60...70 град. по всім складовим поля випромінювання, відповідно, збільшення КСД від 3,5 дБ до 6,0 дБ, а також збільшення КЕ аж до 1,0.
Для ПСА збільшення (логарифмічна спіраль) призводить до зменшення Rвх. Межі зміни Rвх складають від 250 Ом (–2 ) до 150 Ом 4 ). Xвх для цього діапазону варіювання змінюється незначно і складає 30 Ом. В аналізованому частотному діапазоні активна складова вхідного опору Rвх (рівнокрокова спіраль) практично постійна і складає Rвх = 220 10 Ом, а реактивна складова має тенденцію до плавного зменшення від Xвх = –10 Ом до Xвх = –30 Ом.
Для КСА з використанням моделі струму у виді хвилі, що біжить, виявлено 7 основних режимів випромінювання однозахідної КСА: це режим двохспрямованого поперечного випромінювання (режим малих рамок), режими односпрямованого осьового прямого і зворотного випромінювання, режими воронкоподібного випромінювання в прямому і зворотному напрямку, режими двохспрямованого осьового і неспрямованого випромінювання.
Для обраного варіанта двохзахідної КСА з мінімальними габаритними розмірами (для 0 град. рівнокутова спіраль; кут при вершині конуса 10 град.; габаритна окружність Pmax=0,32 м; початковий радіус 4 мм; кількість витків спіралі n=4; радіус випромінюючого провідника ra=1 мм), розрахованої з використанням узагальненого методу наведених ЕРС у діапазоні частот від 0,5 ГГц до 2,5 ГГц, виявлено:
-
основним режимом випромінювання КСА є односпрямований режим зворотнього осьового випромінювання (випромінювання у бік вершини конуса).
-
КЗД як по загальному полю, так і по лінійним і круговій (основний, лівосторонній) складовим поля випромінювання в діапазоні частот, починаючи з 0,8 ГГц, має значення більше 10 дБ. Причому на відміну від аналогічних характеристик НсфСА, крім істотно більшого придушення заднього випромінювання, КСА характеризується великим діапазоном частот, у якому зберігається виділений режим.
-
Ширина ДС по лінійним і круговій (основній, лівосторонній) складовим поля випромінювання в діапазоні частот, починаючи з 0,8 ГГц, збільшується від -3 дБ= 70…80 град. до -3 дБ = 140…160 град.
-
КСД для основного поляризаційного компонента зменшується з 8 дБ до 2,5 дБ, а для лінійних компонентів, відповідно, з 5…6 дБ до 0 дБ.
-
КЕ в розглянутому діапазоні частот, починаючи з 0,8 ГГц, більший 0,75.
-
Активна складова вхідного опору КСА (рівнокрокова спіраль) на відміну від ПСА у частотному діапазоні плавно зменшується від 250 Ом до 200 Ом, а реактивна складова Xвх практично постійна.
Проведено розрахунок і аналіз характеристик випромінювання зиґзаґоподібного випромінювача, згідно яких визначений режим прямого осьового випромінювання поля лінійної поляризації в діапазоні з перекриттям по частоті Kf =1,15…1,25.
Запропоновано й атестовано варіанти високоспрямованих антен лінійної та кругової поляризації на основі зиґзаґоподібних структур, відповідно, зиґзаґоподібна антена з двома взаємно пересічними полотнинами (рис. 9,а) та хрестоподібна антена з зиґзаґоподібного провідника (рис. 9,б). Спрямовані властивості антен на виділених частотах діапазону 700…1000 МГц характеризуються яскраво вираженим максимумом випромінювання в осьовому напрямку, відповідно з лінійною та круговою поляризацією. Межі зміни ширини ДС антен за рівнем половинної потужності для основного поляризаційного компонента склали 25...50 град. Експериментальні значення КСД обох антен склали 14...17 дБ. КСХ входу антен при підключенні до них коаксіального фідера з хвильовим опором ф= 50 Ом не перевищує 2,2.
Запропонований й атестований варіант неспрямованої антени з обертовою поляризацією випромінювання на основі двохзахідної спіралі, розташованій на спряжених півсферичній та циліндричній поверхнях (рис.10).
Визначено оптимальні геометричні параметри антени: nсф=0,5, nцил=1; 26 град.; Rсф=Rцил=1,2, де робоча довжина хвилі, що відповідають максимальній ширині ДС антени в вертикальних площинах для основної (лівосторонньої) і лінійних складових поля випромінювання.
Отримано наступні значення ширини ДС антени за рівнем половинної потужності: у площині 0 град. – 150 град., 220 град. і лів170 град., у площині 90 град. – 150 град., 360 град. і лів200 град.; максимальна нерівномірність випромінювання в азимутальній площині антени не більш –1,5 дБ; максимальний рівень випромінювання антени для правобічного обертання вектора поляризації Eпр (кросова компонента поля випромінювання) щодо основного виду кругової поляризації Eлів не більш – 15,5 дБ, що відповідає КЕ
