Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса разработки маловыступающих антенн в нижней части УКВ диапазона 12
1.1 Особенности подвижной связи в УКВ диапазоне 12
1.2 Слабонаправленные маловыступающие антенны УКВ диапазона 13
1.3 Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн 18
1.4 Физические принципы действия кольцевой маловыступающей УКВ антенны 20
1.4.1 О роли тока смещения в формировании излучения антенны (на примере симметричного вибратора) 20
1.4.2 Токи смещения в пространстве, окружающем кольцевую антенну 21
1.4.3 Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном 23
1.4.4 Токи смещения при установке КА над вогнутым металлическим экраном 24
Выводы 26
Глава 2. Экспериментальное исследование маловыступающих кольцевых УКВ антенн для мобильной связи 27
2.1 Влияние выпуклой поверхности экрана на эффективность излучения кольцевой антенны 27
2.2 Замкнутая кольцевая антенна 35
2.2.1 Экспериментальное исследование замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте, в линии УКВ радиосвязи 37
2.2.2 Экспериментальное измерение диаграммы направленности замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте 40
2.3 Экспериментальное исследование двухэлементной кольцевой антенны 46
2.4 Кольцевая антенна с фазированием тока возбуждения по ее периметру 51
Выводы 59
Глава 3. Теоретическое исследование и математическое моделирование кольцевой антенны, установленной на подвижном объекте 61
3.1 Излучение кольцевой антенны в свободном пространстве 61
3.1.1 Кольцевой источник с равномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру 61
3.1.2 Кольцевой источник с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру 66
3.2 Излучение кольцевой антенны, расположенной на металлической сфере 70
3.2.1 Дифракция плоской волны на сфере 73
3.2.2 Радиальный электрический диполь над сферой 76
3.2.3 Четвертьволновый радиальный вибратор над сферой 78
3.2.4 Тангенциальный электрический диполь над сферой 84
3.2.5 Кольцевая антенна на сфере 86
3.3 Моделирование излучения кольцевой антенны на реальном объекте 92
3.3.1 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на плоском экране 92
3.3.2 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на крыше автомобиля «Газель» 95
3.4 Влияние выпукло-вогнутых поверхностей, вносимых в кольцевую антенну, на эффективность излучения 96
3.4.1 Выпуклая поверхность геометрически простой формы внесенная в кольцевую антенну 96
3.4.2 Синтез оптимальной формы выпуклой поверхности, улучшающей параметры кольцевой антенны 105
3.4.3 Анализ влияния вогнутой поверхности 108
3.5 Синтез конфигурации кольцевой антенны, учитывающей влияние корпуса носителя 111
Заключение 118
Список литературы
- Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн
- Экспериментальное исследование замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте, в линии УКВ радиосвязи
- Кольцевой источник с равномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру
- Выпуклая поверхность геометрически простой формы внесенная в кольцевую антенну
Введение к работе
Актуальность темы. Мобильная связь в УКВ-диапазоне получила в настоящее время очень широкое применение в самых различных сферах жизни человека. Оперативная работа многих гражданских служб невозможна без надежной и устойчивой радиосвязи между служебными машинами и центральным диспетчерским пунктом. Без УКВ-радиосвязи нельзя представить эффективное взаимодействие войсковых подразделений при проведении военных операций.
В зависимости от назначения к мобильной системе связи предъявляются различные требования. Что касается антенн, то для мобильной УКВ-связи требования сводятся к следующим:
круговой ненаправленный характер излучения в горизонтальной плоскости;
вертикальная поляризация излучаемого поля;
неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объекта-носителя.
Пока указанные требования ставились не слишком жестко, подвижная УКВ-радиосвязь довольно успешно поддерживалась с помощью обычных вибраторных антенн.
Наряду с преимуществами вибраторные антенны обладают целым рядом недостатков. Так, например, длина вибратора на нижних частотах УКВ-диапазона равна нескольким метрам, что значительно затрудняет прохождение объекта по пересеченной местности и на территории населенных пунктов. При изгибании антенны непрерывно изменяется её согласование с питающим фидером, при этом искажается диаграмма направленности (ДН), что приводит к уменьшению устойчивости связи.
Возникает необходимость поиска антенн, способных выполнять все поставленные перед УКВ-связными мобильными антеннами задачи, а также обладающих малой высотой возвышения над поверхностью установки и жесткой конструкцией.
Для обеспечения высокой проходимости по пересеченной местности и малой заметности антенны при установке на мобильном объекте необходима новая маловыступающая антенна с характеристиками, незначительно уступающими аналогичным характеристикам четвертьволнового вибратора. Примером маловыступающей антенны, заслуживающей внимания, является коль-
цевая антенна Бойера, первое сообщение о которой появилось более полувека назад. Явными преимуществами маловыступающей антенны по сравнению с вибраторной становятся постоянство характеристик во время движения автомобиля, отсутствие раскачивающихся элементов конструкции при движении, малая высота подвеса над крышей объекта. Геометрические параметры позволяют скрыть антенну под радиопрозрачным материалом и придать конструкции эстетичный внешний вид.
Значительный вклад в разработку и исследование конструкций маловы-ступающих кольцевых антенн внесли J. Boyer, W. Blackband, R. Burton и R. King, K. Patterson, K. Britain, W. English, B. Quednau, В. Слюсар. Заметный вклад в математический анализ внесли L. Licking, G. Zhou, T. Wu, R. Li, J. Laskar, D. Werner, P. Overfelt, R. Dorne, V. Stoiljkovic, А. Ellrick, J. Storer, S. Moorthy, К. Ротхаммель, З. Беньковский, W. Eichenauer и другие.
Однако существующие результаты исследований не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций, является актуальной научной и технической задачей.
Цель и задачи исследования – теоретическое и экспериментальное исследования маловыступающей антенны кольцевого типа, предложение конструкции антенны, максимально привлекающей к участию в процессе излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на корпусе носителя и компенсирующей дифракционные искажения диаграммы направленности антенны.
Достижение поставленной цели основано на решении следующих задач:
-
Анализ путей повышения эффективности и разработка метода оптимизации характеристик кольцевой антенны, установленной на объекте-носителе.
-
Экспериментальное исследование и сравнение эффективностей вибраторной антенны, используемой в подвижной связи на УКВ, и кольцевой антенны при расположении их на корпусе подвижного объекта.
-
Синтез конфигурации антенны, установленной на реальном объекте-носителе, корректирующей дифракционную составляющую поля, искажающую форму диаграммы направленности излучения.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались элементы теории электромагнитного поля, теория математического моделирования, теория дифракции, 3D – моделирование на ЭВМ, методы автоматического проектирования, а также экспериментальные классические методы антенных исследований.
Научная новизна работы.
-
Разработана и исследована математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой УКВ-антенны с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по её периметру.
-
Разработан метод повышения эффективности кольцевых антенн, позволяющий привлечь к процессу излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на стенках объекта-носителя.
-
Предложен и исследован метод фазирования тока вдоль кольцевой антенны увеличенного периметра.
-
Разработана методика синтеза и анализа кольцевых антенн разных вариантов построения, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемой антенны с учетом дифракционных искажений на корпусе объекта-носителя.
Практические результаты диссертации, достигнутые в процессе выполнения научных исследований:
1) опытное доказательство эффекта увеличения коэффициента усиления
кольцевой антенны за счет активного вовлечения в процесс излучения токов, на
веденных на отвесных участках боковых стенок корпуса подвижного объекта и
искусственно введенных металлических неоднородностей;
2) новая кольцевая антенна с максимальным размером диаметра и способ ее
настройки путем изменения последовательно и параллельно включенных реак-
тивностей;
-
расширенный перечень технических и эксплуатационных параметров кольцевой антенны, измеренных экспериментально при расположении антенны на реальном подвижном объекте в естественных условиях работы на линии связи;
-
способ коррекции диаграммы направленности излучения кольцевой антенны выбором топологии выпуклой крыши подвижного объекта и конфигурации квазикруговой геометрии антенны.
Положения, выносимые на защиту.
-
Математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой антенны, учитывающая неравномерный характер распределения высокочастотного тока возбуждения по периметру антенны.
-
Результаты расширенных экспериментальных исследований параметров кольцевой антенны (коэффициента усиления, направленности излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, входного сопротивления, коэффициента бегущей волны), установленной на мобильном объекте.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния на направленные свойства кольцевой антенны геометрической формы реальной поверхности мобильного объекта.
-
Метод синтеза и анализа кольцевых антенн и объекта-носителя, обеспечивающий максимальную равномерность диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости.
Внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты работы в виде конструкций кольцевых антенн и способа повышения эффективности антенн внедрены на предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва).
Апробация результатов работы.
Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были опубликованы, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2012), XIX Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013), IX Международной IEEE «Сибирская конференция по управлению и связи SIB-CON-2011» (Красноярск , 2011), X Международной IEEE «Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2013» (Красноярск , 2013), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники, посвященной 117-й годовщине Дня радио» (Красноярск, 2012); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и научно-методических семинарах кафедры радиоэлектронных устройств и систем (2010-2013).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и монография. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично автором получены следующие результаты: экспериментальное исследование различных вариантов кольцевых антенн [2, 3, 7 – 10]; повышение эффективности кольцевой антенны введением выпуклой поверхности [1, 4]; математический анализ и синтез кольцевых антенн [5, 6, 10, 11].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 82 наименований. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 112 рисунков и 4 таблицы.
Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн
С понижением частоты КУ постепенно падает и при значении частоты / = 0.5/0 усиление кольцевой антенны на 10 дБ хуже, чем у 0/4 - вибратора. Настройка кольца в резонанс осуществлялась с помощью вакуумного конденсатора Сн. Этим конденсатором и подбором точки включения питающего кабеля (АВ) автору удалось перекрыть двукратный частотный диапазон при коэффициенте стоячей волны (КСВ) не хуже 2.
Новая антенна сразу привлекла внимание специалистов. Однако, единого мнения в отношении принципа действия антенны не было. Мнение специалистов чаще склонялось к тому, что излучаемое кольцевой антенной электромагнитное поле есть сумма полей двух источников: поля вертикального штырька - закоротки (4), по которому протекает большой ток, и поля, обусловленного круговым изгибом проводника [18, 19]. Причем, в отношении второго источника излучения мнения расходились: если одни заявляли об излучении щели, образованной кольцом и его «зеркальным» изображением в экране [20], то другие склонялись в пользу излучения высших типов волн, возбуждаемых на изгибе, как на непрерывно распределенной неоднородности [21 - 23].
Наиболее полное и точное трактование этого вопроса раскрыто в статье Буртона и Кинга [24]. Авторы привели данные входного сопротивления и сопротивления излучения кольцевой антенны и сравнили их с соответствующими параметрами прямолинейного горизонтального проводника. Кольцевая антенна рассматривалась Буртоном и Кингом как разновидность рамочной антенны, распределение тока по разомкнутой антенне, расположенной над плоским экраном на высоте h « 0, и ее входное сопротивление незначительно отличалось от соответствующих характеристик антенны в виде прямого проводника аналогичной длины.
До тех пор, пока выполняется условие h « 0 , кривизна проводника оказывает малое влияние на характеристики антенны. Кроме этого, в статье Буртона и Кинга приводятся данные, показывающие, что ввиду малости h поверхностные токи, наведенные на экране, ограничиваются областью, края которой отстоят на 10h от проекции проводника на плоскость.
Авторы статьи пришли к выводу о слабой эффективности кольцевой антенны, рассматривая ее излучение над бесконечным плоским экраном. В то же время можно предполагать, и выводы Буртона-Кинга о зоне 10h подтверждают это, что при установке кольцевой антенны над поверхностью выпуклого объекта излучение ее возрастает.
Действительно, ввиду больших размеров кольца в горизонтальной плоскости токи, наведенные его полем на металлическом экране, охватывают значительную площадь. Если экран не плоский, а выпуклый, наведенные токи будут иметь на его отвесных стенках вертикальные проекции и, очевидно, примут участие в излучении. Чем больше плотность токов, возбуждаемых на отвесных стенках, тем ощутимее их вклад в общее излучение.
Сама конструкция антенны с металлическим листом-экраном позволяет применить ее в качестве антенны подвижной связи, расположенной на крыше автомобиля – носителя. Высота кольцевой антенны в сравнении с представленными выше антеннами в десять раз меньше последних и составляет 0,006 0.
Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн За последнее время в ряде стран, запатентовано несколько технических предложений по использованию в качестве излучающих элементов металлических рамок, привлекающих к излучению токи смещения [25-27], обрамляющих оконные проемы автомобиля и изолированных от корпуса, а также других изолированных и соответствующим образом запитанных металлических элементов конструкции автомобиля [28, 29].
Большая часть научных публикаций и работ в области кольцевых антенн [30 – 33] содержит лишь описание конструкции, в них отсутствует анализ работы антенны, описание характеристик, результаты испытаний антенны в различных, особенно, в натуральных условиях, разработка возможных модификаций, оптимизация геометрии и размеров антенны. Особого внимания заслуживают редкие публикации, содержащие математическое описание распределения токов в антенне и экспериментальные данные [24, 34, 35]. Однако приводимое математическое описание представлено лишь для равномерного распределения тока по периметру антенны и случая «малого» кольца, но не охватывает наиболее интересный для практики случай неравномерного распределения тока.
Практические конструкции маловыступающих кольцевых антенн исследованы в трудах J. Boyer [17], W. Blackband [35], R. Burton и R. King [24, 36], K. Patterson [37] K. Britain [11], W. English [12], B. Quednau [13], P. Dodd [38], G. Horn [14], A. Kandoian [39], В. Слюсар [40] и других авторов.
Математический анализ кольцевых антенн рассмотрен в работах L. Licking [41], G. Zhou [42], T. Wu [43], R. Li, J. Laskar [44], D. Werner [18], P. Overfelt [19], R. Dorne [15], и других.
Наиболее детальное описание содержится в работах L. Licking, D. Merewether [41], И. Григорова [3].
Характеристики, отображенные в работах W. King [24, 36], V. Stoiljkovic [45], А. Ellrick [46], J. Storer [47], S. Moorthy [48], К. Ротхаммель [49], З. Беньковский [50], W. Eichenauer [16] и других авторов не содержат полных характеристик, в частности отображают ДН лишь в горизонтальной плоскости.
Спустя полвека после появления в научной печати первого сообщения о кольцевой антенне УКВ диапазона [17] последняя как маловыступающий излучатель остается объектом слабо изученным. Приведенные за 50 лет исследования не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций является актуальной научной и технической задачей.
Экспериментальное исследование замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте, в линии УКВ радиосвязи
С физической точки зрения по симметричному вибратору ток протекает следующим образом. В разрыв металлического проводника включается генератор; ток проводимости от генератора протекает по одному из плеч излучателя, замыкается в виде токов смещения и по другому плечу возвращается к генератору. Согласно теории Максвелла, протекание в точке М тока смещения эквивалентно существованию переменного электрического поля. Но, согласно уравнению Максвелла (rotH = J + —), в точке М тогда появится вихревое магнитное поле. Формируется электромагнитная волна, разбегающаяся от точки М. Рис. 1.6. Картина токов смещения и проводимости несимметричного вибратора (штыря).
При размещении вибратора над проводящим экраном (рис. 1.6) ток проводимости от генератора протекает по плечу излучателя, замыкается в виде токов смещения и по поверхности проводящего экрана возвращается в генератор.
Токи смещения в пространстве, окружающем кольцевую антенну По аналогии с несимметричным вибратором, расположенным над проводящим экраном, можно предположить, что токи смещения и проводимости в кольце антенны Бойера распределяются так, как показано на рис. 1.7, заполняя собой значительный объем вокруг кольца. Рис. 1.7. Картина токов смещения и проводимости кольца над металлическим экраном.
Приведенные выше рассуждения позволяют предположить, что, наделяя экран осесимметричной неоднородностью, например цилиндрической формы (рис. 1.9), можно повысить эффективность излучения кольцевой антенны. Токи смещения, замыкая, полный ток наводят токи проводимости на отвесных стенках, причем, чем ближе к кольцу расположен выпуклый цилиндр, тем большую плотность будут иметь наведенные на его стенках токи, принимая вертикальное направление протекания.
Картина токов смещения и проводимости в плоскости осевого сечения КА расположенной над выпуклым проводящим экраном. ВЫШ ВЫ1Г
Используя выпуклости со скошенными стенками, например конус (рис. 1.10), можно, подбирая размеры антенны DKa,/їи выпуклости DBbm,h добиться максимально выгодного положительного эффекта.
Картина токов смещения и проводимости в плоскости осевого сечения КА, расположенной над выпуклым проводящим экраном в форме конуса.
Токи смещения при установке КА над вогнутым металлическим экраном Для увеличения эффективности излучения кольцевой антенны возможно использование и осесимметричных вогнутых экранов (рис. 1.11). Токи смещения аналогично случаю выпуклого экрана будут наводить во впадине вертикально направленные токи проводимости. Однако, вогнутые экраны имеют ряд недостатков т.к. при использовании КА над крышей подвижного транспортного средства создание вогнутого экрана потребует либо нарушения целостности крыши, либо наращивания на ней второй (приподнятой) крыши, что намного сложнее создания выпуклого экрана.
Картина токов смещения и проводимости в плоскости осевого сечения КА расположенной над проводящим экраном с центральной впадиной. Выводы Анализ существующих маловыступающих антенн показал малое количество вариантов таких антенн, действительно выступающих над экраном на малую высоту, значительно меньшую рабочей длины волны. Особое внимание среди известных привлекает в полном смысле маловыступающая кольцевая антенна, предложенная Бойером. Она отвечает всем электромагнитным требованиям, предъявляемым к антеннам подвижной связи, и обладает существенно меньшими габаритами по высоте сравнительно с вибраторной антенной, находящей применение до сих пор.
Исходя из анализа литературы, посвященной математическому описанию поля кольцевой антенны и содержащей результаты её экспериментальных исследований, актуальной задачей является дополнительное детальное исследование и разработка более эффективных вариантов построения маловыступающей и широкодиапазонной УКВ антенны кольцевого типа. Отсутствие математического описания поля кольцевой антенны при неравномерном распределении по периметру возбуждающего тока, ставит на повестку дня решение задачи дифракции поля кольцевого источника на корпусе носителя.
Рассуждения о возможности использования токов проводимости, растекающихся по корпусу подвижного объекта, для улучшения характеристик кольцевой антенны легли в основу поиска более эффективных вариантов построения маловыступающей и более широкодиапазонной УКВ антенны кольцевого типа. Экспериментально были широко исследованы варианты полуволновой замкнутой кольцевой антенны, двухэлементной кольцевой антенны, и, наконец, кольцевой антенны с фазированием токов по периметру. Первая из них прошла испытания на реальных подвижных объектах с целью оценки качества и дальности передачи речевой информации по атмосферному радиоканалу.
Кольцевой источник с равномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру
После проведения сеанса связи с использованием на передающей и приемной машинах кольцевых антенн, последние менялись на вертикальные вибраторные антенны. В коаксиальном кабеле, соединяющем передатчик с антенной, устанавливался режим (КБВ и мощность, поступающая в антенну) такой же, как в сеансе с кольцевой антенной.
Основной целью испытаний, которые проводились на пересеченной местности, покрытой лесом и кустарником, было: – проверить качество радиосвязи между двумя подвижными объектами, оборудованными замкнутыми кольцевыми антеннами указанных размеров; – провести измерение диаграмм направленности в горизонтальной плоскости. Во время измерений, к антенне подключалась УКВ радиостанция. Результаты испытаний на дальность связи с оценкой качества связи (разборчивость речи на слух) на стоянках сведены в таблицу 2.1.
До расстояния между автомобилями 10 км система радиосвязи с кольцевыми антеннами на стороне передатчика и на стороне приемника работала отлично. На больших удалениях (10 – 15 км) постепенно связь с использованием кольцевых антенн начинала уступать связи с применением в качестве передающей и приемной антенн вертикального штыря (несимметричного вибратора). Естественным объяснением данного факта является то, что высота расположения фазового центра антенны при переходе от штыря к кольцу понижается почти в 1.5 раза.
Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, измеренные на частотах 32 МГц, 44 МГц, 56 МГц, приведены на рис. 2.15 – рис. 2.17. Для сравнения на тех же рисунках помещены диаграммы направленности 4-х метрового вибратора установленного на объекте в качестве приемопередающей антенны в центре кольцевой антенны.
Диаграммы направленности антенн имеют довольно близкую к круговой форму и заметно различаются между собой только на нижних частотах диапазона, это объясняется тем, что кольцевая антенна была рассчитана на более высокую частоту УКВ диапазона. Сравнение ДН вибраторной и кольцевой антенн в азимутальном секторе 0 - 360 показывает большее совпадение диаграмм в направлении 0 - 180. Некоторое расхождение наблюдается в направлениях поперек продольной оси автомобиля. Возможно, это объясняется наличием проемов (окон и двери) в боковых стенах «Газели», которые кольцевой антенной возбуждаются сильней, чем вибраторной.
Измерения ДН замкнутой кольцевой антенны в вертикальных (продольной и поперечной) плоскостях [55] выполнялись на упрощенном макете, изготовленном в масштабе 1:10 (рис. 2.18). Макет был установлен на диэлектрическую опору в специально оборудованном для радиоизмерений помещении, стены которого были покрыты поглощающими материалами. Измерения проводились на частотах 320, 440 и 560 МГц. Влияние земли на этих частотах сопоставимо с влиянием на частотах 32, 44 и 56 МГц [56].
Как и в предыдущем случае горизонтальной плоскости, диаграммы направленности кольцевой антенны слабо отличаются от соответствующих диаграмм четырехметрового вибратора. Имея разные интенсивность и ориентацию в вертикальной плоскости боковых лепестков (это объясняется различием процессов дифракции волн излучаемых кольцевой и вибраторной антеннами), в направлениях радиосвязи (вдоль поверхности земли для углов вертикального отклонения 0 и 180) обе антенны создают поля с одинаковыми напряженностями.
На основании полученных результатов экспериментальных исследований основных параметров замкнутой кольцевой антенны можно сделать вывод о возможности разработки на ее основе маловыступающей антенны для мобильных объектов. Проигрывая несколько четырехметровому вибратору по эффективности, поскольку для кольцевой антенны наблюдается заметное падение КУ на нижних частотах (рис. 2.8), исследованная антенна обладает неоспоримыми преимуществами с механической и конструктивной точки зрения.
Отмеченный недостаток кольцевой антенны, выражающийся в неравномерности ее КУ в полосе частот 30 - 60 МГц, можно ослабить, воспользовавшись известным методом конструирования широкополосных штыревых антенн, состоящих из пучка вибраторов различной длины. Каждый вибратор пучка резонирует на своей частоте, так что весь пучок в целом имеет достаточно широкую рабочую полосу. На этом принципе может быть построена работа двухэлементной кольцевой антенны.
Экспериментальное исследование двухэлементной кольцевой антенны Двухэлементная кольцевая антенна [53] отличается от предыдущего варианта тем, что к замкнутому кольцу, резонансная частота которого 60 МГц, добавляется второе кольцо, имеющее резонанс на средней частоте диапазона порядка 40 МГц [57, 58].
Внешний вид антенны с внесенным вторым кольцом показан на рис. 2.25. Оба кольца изготовлены из трубки одного диаметра, имеют одинаковую высоту подвеса h = 70 мм и общий индуктивный шлейф.
Двойная кольцевая антенна работает следующим образом. В нижней части рабочего диапазона частот в полосе 30 + 40 МГц большое кольцо, настраиваемое в резонанс емкостью С1, возбуждается значительно интенсивнее малого, поэтому оно в основном и определяет излучение антенны на этих частотах. По мере приближения к 40 МГц емкость С1 постепенно уменьшается, достигая своего минимального значения 5 пФ на частоте 43 МГц. На частотах выше 43 МГц начинает работать внутреннее малое кольцо, настраиваемое конденсатором С2. При этом емкость С1 остается постоянной, равной С1мин= 5 пФ.
Выпуклая поверхность геометрически простой формы внесенная в кольцевую антенну
Антенна, с которой в главе 2 сравнивались характеристики кольцевых антенн, являлся несимметричным вертикальным вибратором длиной четверть длины волны на рабочей частоте диапазона 30 - 60 МГц.
Поэтому интересно рассмотреть случай четвертьволнового вибратора, расположенного над сферой (рис. 3.8), вдоль которого распределен ток 1(г) по закону: - амплитуда тока у основания; b,d- радиусы вектора начальной и конечной точек вибратора, отсчитанные от центра сферы, причем Четвертьволновый штырь над сферой.
По формулам (3.61), вытекающим из работы [73], каждый элемент тока I(r)dr радиального вибратора создает поле излучения: где с - скорость света в вакууме, Я0- расстояние точки наблюдения от центра сферы.
Полное поле излучения четвертьволнового вибратора очевидно определяется формулой: то поле излучения четвертьволнового штыря, установленного над сферой, примет вид: где R- расстояние от основания штыря (г = d, 0 = 0) до точки наблюдения. На рис. 3.9 представлены результаты вычислений функции W() по формуле (3.68) при а= 5, выполненных в работе [74].
Множитель ослабления четвертьволнового штыря расположенного над сферой. Для сравнения пунктиром приведена также функция W (0) для элементарного диполя.
Как видно, характеристики излучения 1/1/(0) и 1/1/(0) хорошо совпадают качественно и незначительно отличаются друг от друга количественно. В обоих случаях наибольшая часть мощности излучается в секторе углов 0 от 30 до 150 градусов.
Большой интерес представляет выяснение зависимости излучения в заданном направлении от параметра а. На рис. 3.10 приведены кривые изменения абсолютной величины функции W радиального электрического диполя в зависимости от а. Как видно, для каждого значения угла 0 кривая носит резонансный характер. При возрастании а резонансный максимум и минимумы сменяют друг друга, причем постепенно при увеличении а колебания сглаживаются, и резонансные свойства сходят на нет. И, тем не менее, заключение о резонансном характере возбуждения сферы является совершенно иллюзорным. К этому выводу нетрудно прийти, если приведенные кривые наложить одну на другую.
При этом обнаруживается, что максимумы и минимумы абсолютной величины функции W для различных 0 расположены на разных значениях параметра а. Это свидетельствует о том, что осциллирующий характер приведенных кривых говорит о наличии интерференции, а не о резонансных свойствах.
Исключение составляет лишь первый максимум, который у всех кривых располагается в районе а = 1. Физически указанную интерференцию легче всего понять, если рассматривать сферу, как приемную антенну. В этом случае осцилляции в амплитудной характеристике излучения будут объяснятся интерференцией «прямой» дифракционной волны, обежавшей сферу через «темный полюс».
Для окончательного выяснения вопроса о резонансном влиянии сферы на излучение следует вычислить отношение где Р 0 - полная мощность, излучаемая первичным излучателем в отсутствии сферы; Р - мощность, излучаемая сферической антенной.
Для электрического диполя вместо мощностей можно взять соотношения сопротивлений излучения: сопротивление излучения диполя в свободном пространстве; R% -сопротивление излучения диполя при наличии сферы. Тогда, для случая возбуждения сферы радиальным электрическим диполем, находящимся на ее поверхности: случае поверхность сферы переходит в плоскую бесконечную поверхность, над которой вертикальный электрический диполь имеет вдвое большее сопротивление излучения, чем в свободном пространстве.
Таким образом, проведенный в [74] теоретический анализ позволяет сделать вывод о том, что наличие идеально отражающей сферической поверхности может радикальным образом изменить характеристику диполя и, тем более, сложной антенны. Если радиус сферы сравним с длиной волны, то ее характеристики излучения имеют лепестки, число которых растет с уменьшением длины волны. Поле четвертьволнового радиального вибратора на сфере в гауссовой системе единиц измерений может быть найдено как: С электродинамических позиций кольцевой источник можно рассматривать, как цепочку последовательно соединенных диполей, каждый из которых ориентирован по касательной к металлической сфере.
Приведенная в предыдущем пункте методика [74] нахождения поля излучения элементарного радиального диполя с учетом влияния сферы пригодна для любого, произвольным образом расположенного диполя.
Тогда, допустим что в точке А находится электрический диполь Р, расположенный параллельно оси х (рис. 3.12).
