Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор теории логопериодических вибраторных антенн 15
1.1. Анализ состояния вопроса по логопериодическим вибраторным антеннам 15
1.2. Обсуждение методов расчета электродинамических характеристик логопериодических вибраторных антенн 29
1.3. Анализ методов уменьшения габаритов логопериодических вибраторных антенн 41
Глава 2. Теоретические и экспериментальные результаты по симметричным и несимметричным логопериодическим, логодиректорным, (вухчастотным вибраторным антеннам с полосковой линией 49
2.1. Логопериодические вибраторные антенны с полосковой линией питания 49
2.2. Особенности работы логопериодических вибраторных антенн в относительно узкой полосе частот 64
2.3. Анализ несимметричных логопериодических вибраторных антенн 77
2.4. Анализ логодиректорных антенн 82
2.5. Анализ двухчастотных логопериодических антенн 85
Глава 3. Анализ логопериодических вибраторных антенн с кусочно-инейными вибраторами 88
3.1. Постановка задачи об определении электродинамических характеристик логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами 88
3.2. Решение задачи о нахождении распределения токов логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами 91
Глава 4. Теоретический анализ и экспериментальные результаты для логопериодических вибраторных антенн с V, Г, Т - вибраторами и вибраторами произвольной конфигурации 102
4.1. Логопериодические вибраторные антенны с V-вибраторами 102
4.2. Логопериодические вибраторные антенны с Г-вибраторами 113
4.3. Логопериодические вибраторные антенны с вибраторами произвольной конфигурации 128
4.4. Логопериодические вибраторные антенны с Т-вибраторами 134
Глава 5. Программа проектирования логопериодических вибраторных антенн 137
5.1. Разработка алгоритма программы для проектирования логопериодических вибраторных антенн 137
5.2. Описание пакета программ для проектирования логопериодических вибраторных антенн 143
Заключение 160
Список литературы 163
Приложение 169
- Обсуждение методов расчета электродинамических характеристик логопериодических вибраторных антенн
- Особенности работы логопериодических вибраторных антенн в относительно узкой полосе частот
- Решение задачи о нахождении распределения токов логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами
- Логопериодические вибраторные антенны с вибраторами произвольной конфигурации
Введение к работе
Актуальность темы. Современные системы связи и телекоммуникации в настоящее время интенсивно осваивают свободные участки дециметрового диапазона и НЧ область сантиметрового диапазона. Повышенный интерес к этим диапазонам вполне объясним, так как, с одной стороны, они обладают достаточно большой информационной емкостью, а с другой - ограниченный практически пределами прямой видимости радиус действия этих систем позволяет многократно использовать одни и те же частоты в соседних районах.
Рабочий диапазон частот конкретных систем обычно небольшой (порядка 10 - 15%), но иногда системы и устройства дуплексной связи работают на сильно разнесённых частотах (отношение частот приёма и передачи может доходить до 1,5 и более).
Во многих случаях характеристики этих систем могут быть существенно улучшены за счёт использования направленных антенн с коэффициентом усиления порядка 8-12дБ, стандартным входным сопротивлением 50Ом и хорошим согласованием во всей рабочей полосе частот (коэффициент стоячей волны (КСВ) меньше 1,5). При этом весьма желательно, чтобы антенны имели минимальные габариты и вес, высокую механическую прочность, хорошую технологичность и небольшую стоимость. На основе таких антенн можно создавать антенные решётки различных модификаций, как для увеличения направленнрсти, так и-для формирования заданных диаграмм направленности (например, базовые антенны сотовой связи).
Для решения таких задач в настоящее время обычно используются антенны Уда-Яги и коллинеарные антенные решётки. Иногда встречаются логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА) в классическом исполнении, зигзагообразные антенны типа «двойной квадрат», решетки из рамочных элементов или различные модификации перечисленных типов антенн.
В то же время антенны, особенно широкополосные, обладают значительными габаритами и весом.
На основании вышеизложенного можно утверждать, что исследование и разработка полностью или частично печатных ЛПВА для современных средств связи и телекоммуникаций является в настоящее время актуальной инженерной задачей.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка широкополосных антенн уменьшенных размеров. В качестве исходной антенны наиболее удобно взять классическую логопериодическую вибраторную антенну. Уменьшения габаритов можно добиться за счет использования двухпроводной полосковой линии питания и укорочения вибраторов. Логопериодические вибраторные антенны в печатном исполнении позволяют использовать эти два способа и получить дополнительное уменьшение габаритов за счет влияния диэлектрика.
Основной целью исследований является создание алгоритмов и программ расчета широкополосных антенн уменьшенных размеров и разработка действующих макетов для различных практических применений.
Научная новизна работы заключается в следующем: - разработана новая методика расчета ЛПВА с симметричными кусочно-линейными вибраторами, расположенными под углом друг к другу.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе состоит в следующем:
-разработаны действующие макеты антенн,
-приведены рекомендации, позволяющие избежать ошибок при проектировании ЛПВА,
-разработана программа для проектирования ЛПВА, как с линейными вибраторами, так и с кусочно-линейными.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ВНИИ "Градиент" (г. Ростов), что подтверждено соответствующими документами.
Достоверность полученных результатов подтверждается
экспериментальными результатами. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на международных, всероссийских
конференциях и конференциях с международным участием:
• Третья международная конференция «Теория и техника антенн», Севастополь, Украина, 1999;
• Всероссийская конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог, ТРТУ, 1999;
• Всероссийская научно-техническая конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог, ТРТУ, 2001;
• межвузовская конференция РВИРВ, Ростов-на-Дону, 1-998;
• научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета 1996-2000 годов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ [53-58,67,73-75].
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Методика анализа вибраторных антенн осевого излучения (Л.Г1ВА, антенны Уда-Яги, вибраторных антенн бегущей волны) на основе кусочно линейной аппроксимации вибраторов произвольной формы.
1.1 Методика анализа вибраторных антенн с V-вибраторами.
1.2 Методика анализа вибраторных антенн с Г-вибраторами.
2. Теоретически и экспериментально показанная возможность уменьшения габаритов ЛПВА (по сравнению с другими антеннами осевого излучения) без ухудшения основных электродинамических характеристик ЛПВА.
3. Результаты влияния диэлектрика на параметры ЛПВА, состоящие в том, что стандартный диэлектрик полосковой линии уменьшает коэффициент усиления антенны приблизительно на 1дБ; с ростом растет перекрытие антенны по частоте и увеличивается фазовая скорость обратной волны антенны.
4. Особенности применения ЛПВА для работы в относительно узкой полосе частот, состоящие в том, что ЛПВА приблизительно в 1,6 раза короче антенны Уда-Яги, при одинаковой полосе пропускания антенн и одинаковом КНД; аномалии, выражающиеся в появлении провалов и выбросов на частотных характеристиках коэффициента усиления и коэффициента стоячей волны, появляющиеся при волновом сопротивлении питающей линии меньше 90 Ом; длину самого длинного вибратора ЛПВА возможно выбирать меньше четверти длины волны нижней частоты рабочего диапазона.
5. Пакет программ для проектирования ЛПВА и Уда-Яги.
Диссертационная работа состоит из введения, 5" глав, заключения и приложения.
В первой главе диссертации выполнен анализ существующих публикаций по логопериодическим вибраторным антеннам, приведены методы расчета основных электродинамических характеристик логопериодических антенн, используемых в настоящее время. Рассмотрены методы.уменьшения размеров таких антенн.
Во второй главе диссертации исследованы свойства логопериодических вибраторных антенн с полосковой питающей линией, выполненной на диэлектрике с тепловыми потерями, практически измерены на макетах параметры наиболее доступного материала для полосковой питающей линии -стеклотекстолита СТФТ-2-35 в диапазоне частот 5-2100МГц. Отмечено, что применяемый диэлектрик с тепловыми потерями уменьшает коэффициент усиления антенны в рабочей полосе частот приблизительно на 1дБ, увеличивает перекрытие антенны по частоте и увеличивает фазовую скорость обратной волны антенны. Применение полосковой питающей линии (ППЛ) позволяет относительно просто получать требуемое для согласования со стандартными коаксиальными фидерами 50 или 75 Ом волнового сопротивления (низкое волновое сопротивление линии) за счет изменения ширины металлической полоски. Полосковая питающая линия имеет стабильные геометрические размеры, что стабилизирует электрические характеристики антенны, по сравнению с питающей двухпроводной линией. Также применение полосковой питающей линии позволяет уменьшить, а то и избавиться от влияния атмосферных факторов (дождь, снег, обледенение) на параметры питающей линии, по сравнению с обычной двухпроводной линией, так как в силу физических особенностей работы полосковых устройств почти все электромагнитное поле сосредоточенно внутри диэлектрика, поэтому попадание атмосферных осадков на линию почти не изменит ее электродинамических характеристик. Применение ППЛ "В ЛПВА, делает такие антенны менее подверженными влияниям атмосферь уменьшает толщину антенны, делает ее более прочной. Исследованы свойства логопериодических антенн, работающих в относительно узкой полосе частот, проведено сравнение размеров логопериодической антенны с антенной Уда-Яги, при равных рабочих полосах частот и коэффициентах усиления. Замечено, что логопериодическая антенна почти в 1,6 раза короче антенны Уда-Яги. Это означает возможность замены широко распространенной антенны Уда-Яги логопериодической антенной меньших габаритов и обладающей рядом преимуществ." Отмечено, что длину самого длинного вибратора логопериодической антенны возможно делать меньше 1А наибольшей длины волны рабочего диапазона частот (в классическом варианте эта длина равна Ул наибольшей длины волны рабочего диапазона частот). Исследовано влияние конструктивных параметров на поведение электродинамических характеристик логопериодической антенны в рабочей полосе частої. Отмечены аномалии в поведении логопериодических антенн и некоторые методы борьбы с этими аномалиями. Проведены расчеты несимметричных логопериодических антенн с полосковой питающей линией.
Приведены результаты расчетов логодиректорных антенн, представляющих собой директорную структуру, возбуждаемую ЛИВА. Такие антенны позволяют получить широкую полосу рабочих частот при значительно большем усилении по сравнению с ЛПВА. Рассмотрены двухчастотные ЛПВА, работающие в двух частотных диапазонах, отличающихся в 2 и более раз, позволяющие уменьшить длину ЛПВА за счет исключения лишних вибраторов.
В третьей главе диссертации поставлена и решена в общем виде задача расчета распределения тока по симметричным вибраторам логопериодической антенны. Вибраторы состоят из прямолинейных отрезков, соединенных так, что конец предыдущего отрезка соединен с началом последующего и наклоненных друг относительно друга под различными углами в трех мерном пространстве. Для решения внутренней задачи составлена система интегральных уравнений для токов на вибраторах. Приведены формулы для расчета диаграммы направленности, входного сопротивления, коэффициента усиления такой антенны.
В четвертой главе диссертации для антенн с V и Г-вибраторами проведено упрощение ядра интегрального уравнения, полученного в третьей главе, и найдены более простые формулы, позволяющие ускорить расчеты характеристик таких антенн. Проведено тестирование алгоритмов: результаты для одиночных вибраторов сравниваются с опубликованными ранее другими авторами результатами. Рассчитано влияние угла наклона сегментов антенн с V и Г-вибрат орами на их электродинамические характеристики. Приведены экспериментальные данные по этим типам антенн. Рассчитаны электродинамические характеристики некоторых антенны с вибраторами, расположенными не в одной плоскости с питающей линией.
В пятой главе диссертации выполнена разработка алгоритма программы проектирования как классических логопериодических антенн, так и не симметричных антенн и антенн с кусочно-линейными вибраторами. Программа позволяет не только рассчитывать основные электродинамические характеристики таких антенн, но и производить ручную оптимизацию антенн для получения их наименьших размеров. Программа выполнена максимально наглядной и проста в обращении.
В заключении изложены основные результаты:
1. Для согласования ЛПВА со стандартным коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом питающая линия должна иметь приблизительно равное волновое сопротивление, получающееся наиболее просто при применении в качестве питающей ППЛ, которая еще и увеличивает механическую прочность антенны и уменьшает влияние на ее характеристики атмосферных осадков. Применение ППЛ уменьшает толщину антенны до величины порядка 2-х диаметров вибраторов плюс толщина диэлектрика.
2. ЛПВА с КУ 11дБ можно использовать для связи вместо широко распространенной антенны Уда-Яги, что позволяет значительно уменьшить длину антенны, упростить подключение ее к несимметричному фидеру и уменьшить трудоемкость настройки после изготовления.
3. Длину самого длинного вибратора в ЛПВА следует, в зависимости от ширины рабочей полосы частот, выбирать меньше. 1А наибольшей длины волны рабочей полосы антенны, что позволяет уменьшить размер антенны, определяемый длиной вибраторов.
4. При работе ЛПВА в относительно узкой полосе частот коэффициент перекрытия по частоте Кп 2 параметр т (определяющий длины вибраторов антенны) в значительной мере (прямо пропорционально) влияет на верхнюю рабочую частоту антенны и средний КУ в полосе частот, параметр а (определяющий расстояние в длинах волн между соседними вибраторами антенны) влияет на положение рабочей полосы антенны на частотной оси (с увеличением а рабочая полоса частот антенны уходит в более высокочастотную область); длина короткозамкнутого отрезка ППЛ влияет на нижнюю рабочую частоту антенны; подбор волнового сопротивления ППЛ позволяет получать требуемую полосу частот при меньших габаритах антенны.
5. При волновом сопротивлении ППЛ, меньше 90Ом, Кп 1,5 и при некоторых значениях конструктивных параметров антенны (т, с, N (количество вибраторов антенны)) в частотных характеристиках ЛПВА появляются аномалии, приводящие к ухудшению ДН, КУ, КСВ антенны на некоторых частотах в рабочей полосе частот. Эти аномалии появляются из-за влияния питающей линии. Устранить их возможно либо заменой короткозамкнутого отрезка ППЛ активным сопротивлением, равным 1,5...5,5 от волнового сопротивления ППЛ (но в этом случае падает усиление на нижней частоте рабочего диапазона), либо просто исключением этого короткозамкнутого участка. Лучше всего, для избежания таких аномалий, повторить проектирование антенны с другими параметрами.
6. Для уменьшения размера ЛПВА, определяемого длиной вибраторов, возможно вместо линейных вибраторов применять V- Г- или Т-вибраторы.
7. При применении V-вибраторов угол наклона плеч вибраторов для получения приемлемых характеристик должен быть меньше 35° по сравнению с антенной с линейными вибраторами, полоса V-антенны несколько расширяется, но падает КУ.
8. При применении Г- и Т-вибраторов нецелесообразно выбирать коэффициент укорочения меньше 0,6, так как уже происходит "наложение" "горизонтальных" отрезков вибраторов, что резко ухудшает ЭД характеристики таких антенн.
9. Достоинствами разработанной программы является возможность программной и ручной оптимизации параметров ЛПВА для получения минимальных габаритов без значительного ухудшения ЭД характеристик, простота в работе, наглядность, позволяющая отмечать влияние изменения конструктивных параметров на ЭД характеристики ЛПВА.
10. Улучшение программы возможно по следующим путям: оптимизация применяемых алгоритмов с целью уменьшения исполняемого кода программы и ускорения работы программы; улучшение интерфейса программы.
Обсуждение методов расчета электродинамических характеристик логопериодических вибраторных антенн
Результаты показаны на диаграммах, аналогичных [1], которые позволяют проектировать ЛПВА с входным сопротивлением от 50 до 500 Q и для трех значений отношения половинной длины вибратора к радиусу более точно, чем предложил Кэррел.
В работе [11] приведен подробный анализ одиночной, классической, ЛПВА и решетки из подобных элементов, аналогично предыдущим публикациям, на основе решения интегрального уравнения Гал єна с приближенным ядром, путем аппроксимации неизвестного тока вибраторов решетки одним или тремя членами (Кэррел, Кинг). В статье приведены также формулы для расчета питающей линии ЛПВА, в отличие от [1], где было приведено, только определение действий для расчета параметров питающей линии. Специфика расчета ЛПВА состоит в том, что при работе в полосе частот в антенне могут присутствовать вибраторы большой электрической длины. В принципе, строгие методы расчета проволочных антенн позволяют анализировать системы, состоящие из вибраторов любой длины. При этом точность нахождения распределения тока по вибраторам достигается за счет увеличения числа независимых гармоник, что приводит к росту порядка системы уравнений и, следователь но, к вычислительным трудностям. Однако, на основе расчетов и приведенных графиков сравнения результатов разложения токов вибраторов по одной (синусоидальной) и трем гармоникам (Кинг) делается вывод, что в ряде случаев при вычислении основных антенных параметров (таких, как ДН, входной импеданс и КНД) учет только синусо идальной гармоники (приближенный метод) на вибраторах может оказаться достаточным. Но возможны случаи, когда приближенный метод .может привести к значительному завышению КНД по сравнению с истинным значением.
Это имеет место для тех ЛПВА, в которых по каким-либо причинам возбуждаются электрически длинные вибраторы. Например, для сжатых ЛПВА с большим углом при вершине возможно просачивание энергии по распределительному фидеру за активную область, вследствие чего происходит паразитное возбуждение длинных вибраторов. Аналогичное явление наблюдается в случае ЛПВА, состоящей из чрезмерно тонких вибраторов. Как показали расчеты, в указанных случаях совпадение строгого и приближенного методов наблюдается лишь в пределах 1-й октавы диапазона, когда длина наибольшего вибратора в антенне не превосходит X. Для. более высоких частот строгий расчет предсказывает сильные осцилляции в величине КНД и связанные с этим искажения ДН. Все приведенные в статье численные примеры соответствуют антеннам с нормальным режимом работы, когда вибраторы активной области играют преобладающую роль в излучении антенны. Следовательно, когда ЛПВА сконструирована так, что в ее излучении главную роль играют вибраторы активной области, то при расчетах достаточно использовать приближенный метод. Использование математического аппарата [11] позволяет быстро и с необходимой для инженерных целей точностью проектировать ЛПВА с заданными искажениями главного лепестка и уровнем заднего излучения. Другой подход к нахождению распределения токов по вибраторам ЛПВА приведен в [12], он основан на применении устойчивого метода решения системы интегральных уравнений 1-го рода с логарифмической особенностью в ядре, предложенного в работе [13]. Расчет позволяет определить основные характеристики ЛПВА. В последующих работах расчет и анализ характеристик ЛПВА, производится на основе приведенных выше методов. Большое количество практических конструкций ЛПВА приведено в [14]. Основная масса публикации по ЛПВА приходится на 1968-1989 годы, но в настоящее время интерес к ЛПВА снова возник и поэтому имеется множество работ, посвященных усовершенствованию ЛПВА. Рассмотрим их. В статье [15] предложена идея создания квазилогопериодических антенн и решеток из них с заданной зависимостью коэффициента усиления в рабочей полосе частот путем соответствующего формирования активных областей за счет изменения закона логопериодичности антенны. Представлены результаты исследований и разработки оригинальных высокотехнологичных логопериодических и квазилогопериодических вибраторных антенн УКВ диапазона и решеток на их основе, предназначенных для работы в качестве индивидуальных и коллективных ТВ приемных антенн ДМВ диапазона и совмещенных ДМВ и MB диапазонов волн, приемных антенн многоканальных телевизионных распределительных систем в диапазоне частот 2,4...2,7 ГГц и приемных антенн фиксированных терминалов цифровых систем связи стандартов GSM-900, GSM-1800. Методике расчета несимметричных ЛПВА посвящена статья [16], в которой на основе эквивалентных схем несимметричных ЛПВА получены расчетные соотношения для входных токов вибраторов синфазных и противофазных антенн и даны примеры численного анализа их электродинамических характеристик. Антенные решетки из логопериодических элементов, расположенных на вогнутой стороне эллипса, изучались в [17], где проанализирована связь геометрических размеров антенных решеток с их электрическими характеристиками, показаны преимущества таких решеток по сравнению с линейными. Взаимное влияние ЛПВА в решетке исследовано в [18], расчеты выполнены приближенным методом, сделан вывод об уменьшении широкополосности антенной решетки из ЛПВА по сравнению с одним элементом решетки. В [19] приведена практическая конструкция ЛПВА с петлевыми вибраторами, которая позволяет получить высокое входное сопротивление антенны. В книге [20] автором был предложен метод расчета распределения тока по вибраторам ЛПВА, основанный на использовании понятия реакции базиса в виде системы кусочно-синусоидальных функций [21], в этом случае, по словам автора, вычисление матрицы импедансов существенно облегчается, так как интегралы могут быть представлены в виде формул, содержащих интегральные синусы и косинусы, которые легко могут быть вычислены с помощью ЭВМ. Автором приведена методика расчета входного сопротивления различных комбинаций линейных вибраторов, также дана методика расчета П -вибратора описанным методом. Рассмотрены решетки, состоящие как из вибраторов, так и из печатных элементов. В статье предложены конструкции новых печатных и вибраторных ЛПВА.
Но не все так хорошо обстоит с работой ЛПВА в широкой полосе рабочих частот. Казалось бы, ЛПВА в диапазоне рабочих частот должна вести себя предсказуемо, но в работе [5], посвященной практическому и теоретическому исследованию сжатых вдоль питающей линии ЛПВА (угол при вершине а 30), разрабатываемых как частотно-независимые антенны с небольшим коэффициентом усиления и высоким КПД, отмечено, что у таких антенн с увеличением сжатия диаграмма направленности становится подобной диаграмме одиночного диполя, а рабочий диапазон частот расширяется незначительно. Показано, что такая ЛПВА обладает аномальными частотно-зависимыми характеристиками в узком диапазоне частот (шириной около 1/8 периода логопериодичности), когда используется реактивная нагрузка линии питания, или когда коэффициент х меньше 0,92 - 0,93. Расчет исследуемых ЛПВА произведен методом, аналогичным [1] (распределение тока по вибраторам синусоидальное), с учетом резистивных потерь (поверхностное сопротивление меди) при определении КПД антенны. В основном исследовались как одиночные антенны, так и решетки из них с перекрытием 2: Г в диапазоне частот 500.-1000 МГц, с волновым сопротивлением ненагруженной питающей двухпроводной линии, равным 100 Ом.
Особенности работы логопериодических вибраторных антенн в относительно узкой полосе частот
В отличие от упомянутых выше вариантов, в которых подбор и настройка укорачивающих элементов производились экспериментальным путем, требующим большого числа измерений, для ЛПВА из спиральных вибраторов возможна численная оптимизация [35]. В [35] показано: для спирального вибратора небольшой электрической длины распределение тока можно приближенно описывать синусоидальной функцией; спиральный вибратор является более эффективным излучателем по сравнению с обычным прямолинейным, укороченным с помощью сосредоточенной индуктивности, так как из-за применения катушки индуктивности омические потери возрастают значительно сильнее, чем при выполнении вибратора в виде спирали. При расчетах ЛПВА со спиральными вибраторами, распределение тока вибраторов описывалось одной синусоидальной гармоникой, в работе приведены полученные расчетные данные, из приведенных данных сделан вывод, что при одинаковых габаритах рассчитанная ЛПВА из спиральных вибраторов имеет полосу частот, расширенную в 1,5 раза в низкочастотную область по сравнению с полосой частот обычной ЛПВА. При заданной полосе частот это означает уменьшение всех размеров антенны в 1,5 раза. Однако, укорочение вибратора любым из указанных выше способов приводит к повышению его добротности [26] и сужению рабочей полосы частот, поэтому в той части диапазона, где работают укороченные вибраторы наблюдается ухудшение характеристик. Этого можно избежать, если сблизить резонансные частоты укороченных вибраторов путем увеличения т. В свою очередь, увеличение т требует увеличения числа вибраторов в антенне для сохранения полосы частот. Теоретически можно ценой увеличения числа вибраторов уменьшать поперечный размер ЛПВА до разумных пределов при сохранении ее характеристик. Однако, практически приемлемые конструкции получаются при уменьшении поперечного размера не более чем в 2...3 раза, дальнейшее уменьшение размера ЛПВА приводит к резкому усложнению ее конструкции. Значительно уменьшить поперечные размеры (до 2 раз) можно, используя вибраторы конической или треугольной формы [36-37]. Поскольку такие вибраторы имеют расширенную полосу частот, ЛПВА имеет увеличенный КУ и улучшенное согласование, однако, такие вибраторы не всегда конструктивно приемлемы. При разработке ЛПВА с уменьшенными поперечными размерами в ряде случаев целесообразно использовать рамочные излучатели. Действительно, излучатель в виде резонансной рамки имеет, как известно, меньшие габариты по сравнению с резонансным вибратором, обладая при этом более высокой направленностью. Например, диаметр круглой резонансной рамки с периметром X приблизительно в 1,5 раза меньше длины полуволнового вибратора. В [38] исследована антенна, состоящая из соосной системы круглых замкнутых рамок, причем каждая рамка имеет одну пару зажимов, подключенных параллельно к двухпроводной распределительной линии. Однако, рабочая полоса частот такой антенны ограничена (не превышает одну октаву) ввиду того, что на нижних частотах между резонансной рамкой и генератором имеются электрически короткие замкнутые рамки, шунтирующие распределительную линию. Данный недостаток отсутствует в антенне, показанной на рис. 1.3.4, а [39], где каждая рамка име.ет две пары зажимов, расположенных на противоположных сторонах рамки: одна пара подключена к одной распределительной линии, другая - к другой, а обе линии подключены параллельно к общему генератору они расположены по образующим на поверхности конуса и образуют логопериодическую структуру. Каждая рамка оказывается возбужденной двумя синфазными источниками и, следовательно, излучает поле линейной поляризации, причем вектор напряженности электрического поля ориентирован параллельно плоскости yz. Электродинамический анализ такой антенны выполнен в [39]. Расчеты показали, что в подобных антеннах существует хорошо сформированная активная область, состоящая из рамок, периметр которых близок к длине волны, а фазировка токов обеспечивает направленное излучение в сторону вершины (за счет переменно-фазного включения рамок). Как и для ЛПВА, рабочая полоса частот определяется отношением диаметров наибольшей и наименьшей рамок. По сравнению с ЛПВА, имеющей то же число элементов и ту же полосу частот, данная антенна обладает уменьшенным в 1,5 раза поперечником при практически одинаковых входных и внешних характеристиках. Интересен также плоский вариант антенны, представляющий собой систему концентричЬских рамок (рис. 1.3.4,6) и обладающий двухсторонним излучением [39]. Рассмотренные логопериодические антенны с петлевыми вибраторами близки по характеристикам к частотно-независимым спиральным излучателям, отличаясь линейным характером поляризации излучаемого поля. Микрополосковая технология позволяет создавать не выступающие, простые по конструкции и дешевые антенны, удобные для применения в качестве бортовых на летательных аппаратах. Однако, для микрополосковых антенн характерна небольшая полоса частот. Например, антенна в виде прямоугольной пластины на подложке из диэлектрика имеет полосу частот несколько процентов. Расширить полосу частот до 20% можно для антенн, выполненных на базе микрополосковой высокодобротной линии [40, с. 132]. Большей широкополосностью обладают микрополосковые спиральные антенны [41] или антенны бегущей волны [42], однако, и для них полоса частот не превышает 40.. .50%, а КПД снижается до 50%. Кроме того, в антеннах бегущей волны наблюдается нежелательное смещение направления максимума излучения при изменении частоты. Естественным способом расширения полосы часто является объединение узкополосных микрополосковых антенн в логопериодическую антенну. Наиболее простая по конструкции ЛПВА из микрополосковых вибраторов на подложке из диэлектрика, подключенных к линии передачи переменно-фазным способом, изображена на рис. 1.3.5, а. Однако, полоса частот этой антенны ограничена, так как между входом антенны и активной областью существует область, где волна отражается [26]. Исходя из этого возможно создание ЛПВА на основе такой структуры, у которой полоса рабочих частот ограничена значением kd«l,5 со стороны нижних частот и величиной kd«2.. .2,5 -со стороны верхних - (где к - волновое число). Такая квазилогопериодическая антенна из пяти элементов, работающая в диапазоне частот 2,7.. .3,3 ГГц, описана в [43]. Простой способ устранения эффекта запирания, предложенный в [44], основан на, использовании емкостной связи между линией и полосковыми вибраторами.
Решение задачи о нахождении распределения токов логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами
В настоящее время появилось множество программ, позволяющих решать конкретные конструкторские задачи. Все эти программы имеют в своем названии окончание "CAD", (MathCAD, AutoCAD, и т. д.).
В литературе встречаются ссылки на программы расчета и оптимизации проволочных антенн произвольной конфигурации, одна из которых называется А06, а - для антенн Уда-Яги, называется Y06, [68]. Авторы предлагают эти программы по следующим ценам А06 - $600, Y06 - $300 за экземпляр программы. Также имеется для сравнения программа расчета проволочных антенн произвольной конфигурации NF-6.55, созданная в 1996 г. J.C. Logan и J.W. Rockway в Военно-морском Океанском Центре Систем США. Эта программа разработана под однозадачную 16 - разрядную программную оболочку DOS . На отечественном рынке программ нет упоминаний о программах проектирования антенн и конкретно логопериодических и Уда-Яги.
Сначала рассмотрим исходные данные, которые необходимо ввести в программу перед началом расчета. 1. Так как в предыдущих главах были рассмотрены антенны 3-х типов: J ШВА (раздел 2.1), Уда-Яги (раздел 2.2), несимметричные ЛПВА (со шлейфами) (раздел 2.3), поэтому перед началом расчета необходимо задать тип антенны. 2. В главах 3 и 4 рассмотрен расчет ЛПВА с вибраторами различной конфигурации, поэтому необходимо ввести тип рассчитываемых вибраторов - линейные (раздел 1.2), V-вибраторы (раздел 4.1), Г вибраторы (раздел 4.2), Т-вибраторы (раздел 4.4), вибраторы произвольной конфигурации в 3-х измерениях (раздел 4.3). 3. Ввести исходные данные для расчета антенны Исходными данными для расчета ЛПВА являются: нижняя рабочая частота/піп, 2. верхняя рабочая частота ах? 3. расчетная частота F, 4. волновое сопротивление фидера антенны Ro, 5. параметр т, 6. параметр а, 7. число вибраторов N, 8. отношение длины вибратора к радиусу h/a или радиус вибраторов а, 9. толщина диэлектрической подложки линии питания е, ю. относительная диэлектрическая проницаемость подложки ППЛ %, п тангенс диэлектрических потерь tg8, 12. сопротивление нагрузки линии питания Zt, із. волновое сопротивление ненагруженной линии питания ZB, и. количество гармоник, аппроксимирующих токи вибраторов q. Расчет ЭД характеристик антенны на фиксированной частоте F производится в следующей последовательности: 1. по заданным f , х, a, N, h/a определяем геометрические размеры ЛПВА, 2. по заданному R0 определяем волновое сопротивление линии питания без потерь ZB, 3. производим учет полосковой линии питания, по заданным а, Б, tg5 по (2.1.8)—(2.1.10) определяем параметры полосковой линии (рис. 2.1.3), 4. по заданной F определяем матрицу сопротивлений фидера из (2.1.7), 5. составляем систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), позволяющую решить систему интегральных уравнений Галена с учетом числа гармоник q по (2.2.13) - (1.2.17), 6. решаем СЛАУ и получаем распределение токов вибраторов антенны, 7. по известному распределению тока из (1.2.14), (1.2.19) строим ДН антенны по напряжению в главных плоскостях, определяем ширину ДН в этих плоскостях по уровню 0,707 от максимума, 8. по (1.2.18) определяем входное сопротивление антенны ZBX, из (1.2.21) определяем КНД, из раздела 2.1 определяем коэффициент отражения р от входа ЛПВА, а зная его, по известной формуле определяем КСВ в фидере антенны, 9. выводим на экран полученные графики и результаты, 10.конец расчета ЛПВА на заданной частоте. В работах по расчету и анализу ЛПВА [1-6,11,14] приводятся методики расчета, графики некоторых результатов расчета ЛПВА с узким диапазоном изменения конструктивных параметров, чаще всего авторы приводят общую методику, графики и для примера - одну из антенн, рассчитанную и опробованную ими, причем в большинстве случаев при анализе антенн не производится тщательного исследования поведения антенны в полосе частот. В [ 1, рис. 11] приведен график зависимости КНД ЛПВА от параметров х и а, для конкретных значений Z0, h/a, ZT- Причем, автор считает, что рассчитанные антенны по такой методике будут иметь КСВ в полосе 1,5 и КНД, указанный на графике. График [1, рис. 11] дается для постоянного ZT а практические конструкции выполняются, в основном, с ZT в виде замкнутого отрезка питающей линии (за самым длинным вибратором), причем в рабочей полосе частот величина ZT будет меняться и изменять параметры ЛПВА. В последующих работах [4,6], замечено, что в [1] рассчитанный КНД завышен из-за ошибки автора на 1,5-2 дБ, приведены графики с уточненными расчетами. Опять же в этих работах не производилось анализа влияния параметров антенны на поведение ее в полосе рабочих частот, а приводился только один-два графика для конкретных антенн. Причем, все работы анализируют ЛПВА с волновым сопротивлением линии питания ZB (Zo обозначение из [1]) большим 75-100 Ом. Скорее всего, тщательный анализ ЛПВА в полосе частот не проводился потому, что, во-первых была недостаточно развита вычислительная техника, а во-вторых, как указано в [1], для анализа в полосе достаточно рассчитать характеристики на частотах fp данных формулой (5.1.1)
Это объясняется повторяемостью бесконечных структур такого вида с периодом In т. При попытках повторения графика [1, рис. 11] (при некоторых значениях параметров т и а) ЛПВА в полосе рабочих частот иногда имела КСВ значительной величины (много больше 1,5). При разработке и расчете ЛПВА было замечено (глава 2 настоящей диссертации), что возможно уменьшить габариты ЛПВА за счет оптимизации ее конструктивных параметров при практически неизменных ЭД характеристиках. Поэтому поставим требования, которым должна удовлетворять оптимизированная ЛПВА.
ЛПВА должна в заданной полосе частот fmin - fmax иметь средний КНД (КУ) Dcp [дБ] и отклонение КНД в полосе частот от среднего на величину не больше, чем AD [дБ]. При этом КСВ антенны в заданной полосе часто не должен превышать максимальное значение = КСВмах, а минимальное значение КСВМИН может стремиться к 1. При этих условиях габариты антенны должны быть минимальными. Графически эти требования изображены на рис. 5.1.1.
Логопериодические вибраторные антенны с вибраторами произвольной конфигурации
После этого, в диалоговых окнах необходимо ввести диапазон рабочих частот антенны (F_min_opt, F_max_opt), достижимое значение КУ, КСВ, длины антенны L, приоритеты по параметрам, т.е. что является главным при оптимизации антенны КУ, КСВ или L, а также диапазон изменения параметра т (taumin, taumax), диапазон изменения a (sigma_min, sigmamax) и число точек оптимизации (iter_opt_ 30). Для начала оптимизации в окне
Оптимизировать І оптимизации необходимо нажать кнопку 1—I. Оптимизация антенны - довольно долгий процесс, после которого в таблице, находящейся внизу окна (рис. 5.2.11) появляются результаты оптимизации в условном виде. Fmax, Fmin, Fmid, - обозначают, что заданные условия оптимизации выполнились только на верхней частоте, на нижней частоте, на средней частоте рабочей полосы, соответственно, - означают неудачные параметры антенны, а числовое значение, например 99010,3 означает, что выполнились условия оптимизации при данных параметрах ЛГТВА, її на верхней частоте рабочего диапазона КУ=9,90дБ, на нижней частоте, рабочего диапазона КУ 10,3 дБ. Для выбора понравившихся параметров ЛГТВА необходимо нажать левую кнопку мыши на требуемой ячейке таблицы, вследствие чего полученные параметры антенны при оптимизации будут присвоены проектируемой антенне и произведен перерасчет ДН и распределения токов на фиксированной частоте.
Бывают случаи, когда параметры ЛГТВА могут быть улучшены за счет подбора волнового сопротивления питающей линии отличного от предложенного Кэррелом. Тогда, для оптимизации волнового сопротивления линии питания необходимо нажать кнопку І. В результате нажатия на эту кнопку программ выбором значения Zw уровень КСВ в полосе рабочих частот ЛГТВА.
При разработке антенны по приведенной программе придерживаться следующего алгоритма: а) длину самого длинного вибратора выбрать равной 1А наибольшей длины волны рабочего диапазона; б) количество вибраторов антенны выбрать приблизительно КУ (дБ) -1, но это зависит от Кп, возможно потребуется большее число вибраторов; в) остальные параметры берутся из расчета классической ЛГТВА; г) подбором т, а получить требуемые КУ и КСВ на верхней частоте рабочего диапазона; д) уменьшить длину самого длинного вибратора для получения требуемых КУ и КСВ на нижней частоте рабочего диапазона; е) подбором короткозамкнутого участка ГШЛ за самым длинным вибратором попытаться уменьшить средний уровень КСВ; ж) подобрать оптимальное значение волнового сопротивления ППЛ для улучшения характеристик в полосе частот; з) окончательно рассчитать частотную характеристику КУ и КСВ, для обнаружения, аномалий, если такие появились, попытаться от них избавиться, как описано в пункте 5.
В результате применения программы возможно максимально ускорить сроки разработки ЛПВА и антенн Уда-Яги с минимальными размерами и требуемыми ЭД характеристиками. В результате проведенного исследования свойств ЛПВА и некоторых методов уменьшения их габаритов можно сделать следующие рекомендации для проектировщиков таких антенн. 1. Для согласования ЛПВА со стандартным коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом питающая линия должна иметь приблизительно равное волновое сопротивление, получающееся наиболее просто при применении в качестве питающей ППЛ, которая еще и увеличивает механическую прочность антенны и уменьшает влияние на ее характеристики атмосферных осадков. Применение ППЛ уменьшает толщину антенны до величины порядка 2-х диаметров вибраторов плюс толщина диэлектрика. 2. ЛПВА с КУ 11дБ можно использовать для связи вместо широко распространенной антенны Уда-Яги, что позволяет значительно уменьшить длину антенны, упростить подключение ее к несимметричному фидеру и уменьшить трудоемкость настройки после изготовления. 3. Длину самого длинного вибратора в ЛПВА следует, в зависимости от ширины рабочей полосы частот, выбирать меньше 1А наибольшей длины волны рабочей полосы антенны, что позволяет уменьшить размер антенны, определяемый длиной вибраторов.
