Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные требования к быстроразворачиваемым антеннам KB и укв диапазонов для служб мониторинга радиоспектра и МЧС и задачи исследований 11
1.1. Постановка задачи 11
1.2. Система мониторинга радиоспектра KB и УКВ диапазонов 11
'1.2.1. Описание Международной Мониторинговой Системы 11
1.2.2. Роль координации Бюро радиосвязи МСЭ 13
1.2.3. Международные мониторинговые программы 14
1.3. Антенны служб мониторинга радиоспектра, рекомендованные МСЭ .16
1.3.1. Общие соображения 16
1.3.2. Антенны для частот ниже 30 МГц 17
1.3.3. Особенности измерения напряженности поля и уровня помех в KB диапазоне 24
1.4. Антенны МЧС KB и УКВ диапазонов 25
1.5. Современное состояние техники разворачиваемых антенн 27
1.5.1. Типы антенн, подлежащие разработке 30
1.6. Выводы 33
ГЛАВА 2. Выбор метода электродинамического исследования структур, обладающих потенциальной широкополосностью 34
2.1. Антенны, являющиеся потенциально широкополосными. Критерии Чу-Харрингтона 34
2.2. Выбор типа исследуемых антенн 41
2.3. Постановка задачи электродинамического исследования антенн 44
2.3.1. Анализ состояния вопроса 46
2.3.2. Выбор метода анализа исследуемых антенн 51
2.3.3. Программная среда программы расчета исследуемых антенн 54
2.4. Выводы 59
ГЛАВА 3. Результаты исследования плоских и объемных петлевых вибраторов и оптимизация их параметров 61
3.1. Общие соображения 61
3.2. Резонансные частоты плоской вибраторной антенны 62
3.3. Выбор оптимальной формы (угла раствора) плоских петлевых вибраторов по критерию широкополосности 63
3.4. Распределение тока и диаграмма направленности плоской треугольной антенны 64
3.5. Применение сосредоточенных нагрузок с целью оптимизации параметров плоских петлевых антенн 68
3.6. Результаты исследования объемных петлевых вибраторов и оптимизация их параметров 80
3.6.1. Геометрия объемной петлевой антенны и ее особенности 80
3.6.2. Оптимальная форма объемного петлевого вибратора по критерию широкополосности 81
3.6.3. Резонансные частоты объемного петлевого вибратора 82
3.6.4. Распределение тока и диаграмма направленности объемной треугольной антенны 83
3.6.5. Применение сосредоточенных нагрузок с целью оптимизации параметров объемных петлевых вибраторов 85
3.7. Переход от петлевого вибратора треугольной формы к типовому петлевому вибратору (вибратору Пистолькорса) 93
3.8. Выводы... 95
ГЛАВА 4. Исследование математических моделей быстроразворачиваемых вибраторов KB диапазона 97
4.1. Несимметричный вибратор с утолщением вблизи точки возбуждения...97
4.2. Эквивалентная схема несимметричного вибратора с утолщением вблизи точки возбуждения 103
4.3. Разворачиваемый вибратор Пистолькорса с регулируемой величиной вводного сопротивления 106
4.4. Выводы 110
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования 112
5.1. Методика измерении 112
5.2. Измерения входного сопротивления вибраторов с переменным диаметром плеча 115
5.3. Измерения параметров петлевых вибраторов 119
Заключение 124
Список литературы 126
Приложение 133
- Современное состояние техники разворачиваемых антенн
- Программная среда программы расчета исследуемых антенн
- Применение сосредоточенных нагрузок с целью оптимизации параметров плоских петлевых антенн
- Разворачиваемый вибратор Пистолькорса с регулируемой величиной вводного сопротивления
Введение к работе
Настоящая работа выполнена в соответствии с планом развития и технического оснащения системы Министерства по Чрезвычайным Ситуациям (МЧС) и Служб Мониторинга радиоспектра (МР/С) республики Ливан и, более конкретно, в соответствии с заданием по выбору направлений разработки и разработке быстроразворачиваемых антенн подвижной связи УКВ и KB диапазонов в интересах указанных служб.
Первая глава диссертации посвещена анализу специфических требований, предъявляемых к быстроразворачиваемым антеннам служб МЧС и МР/С, современному состоянию теории и техники указанных антенн и выбору направлений дальнейших разработок.
В УКВ диапазоне наиболее компактными и, следовательно, приемлемыми для подвижной радиосвязи, работающей в широком диапазоне частот, являются антенны с полубезграничной полосой частот, разработанные в Советском Союзе. Однако, в диапазоне частот ~30 МГц такие антенны становятся достаточно громоздкими и конструктивно неудобными при установке их на автомашине. С другой стороны, объемные антенны такого типа являются практически предельно малогабаритными по критерию Чу -Харрингтона, поэтому дальнейшее уменьшение габаритов возможно для плоских антенн и при уменьшении рабочего диапазона частот объемных антенн. Кроме того, при сохранении радиуса воображаемой сферы а0,
окружающей антенну, возможно дальнейшее уменьшение ее высоты и возможен такой выбор конфигурации, который удобен для варианта быстроразворачиваемой системы. В частности, разворачиваемые антенны могут быть выполнены в конфигурации, удобной для использования выдвижных упруго трансформируемых элементов (ВУТЭ), разработанных в Советском Союзе, что позволяет создать антенную систему, которая может быть переведена из транспортного состояния в рабочее за весьма малое время.
В главе 1 показано, что с учетом геофизических особенностей Ливана наиболее приемлемым типом KB связи является зоновая KB связь с антеннами зенитного излучения. Разработанные в России подвижные радиостанции зоновой связи являются вполне современными и могут быть использованы в условиях Ливана. Однако для организации оперативных магистральных линий KB радиосвязи с миссиями Ливана требуется разработка KB антенных решеток, которые с учетом специфики служб МЧС и с учетом технико-экономических факторов, предпочтительно должны быть разработаны в варианте быстроразворачиваемых систем. Отмечается, что решетки такого типа могут быть реализованы на основе использования в качестве элементов решеток быстроразворачиваемых несимметричных вибраторов. Из анализа состояния техники быстроразворачиваемых вибраторов KB диапазона следует, что наиболее перспективными являются вибраторы с использованием выдвижных упруго трансформируемых элементов (ВУТЭ), разработанных в Советском Союзе. С электродинамической точки зрения характеристики таких вибраторов должны быть уточнены с учетом влияния на эти характеристики устройства разворачивания, что приводит к необходимости анализа вибраторов с переменным диаметром плеча.
Показано, что использование быстроразворачиваемых вибраторов KB диапазона целесообразно и в службах МР/С при анализе помеховой обстановки и измерениях напряженности поля KB диапазона.
На основе выполненного анализа делается вывод о целесообразности разработки
В УКВ диапазоне - петлевых широкодиапазонных вибраторов, конфигурация которых удобна для реализации на основе ВУТЭ.
В KB диапазоне - вибраторной антенны с переменным диаметром плеча, которая также может быть реализована на основе упруго-трансформируемых элементов (ВУТЭ).
Вторая глава посвящена выбору метода электродинамического исследования структур, обладающих потенциальной широкополосностыо и уточнению пршщипиальных параметров таких структур. Так как исследованию подлежат, в основном, структуры, параметры которых должны достигать теоретически предельных значений, определяемых ограничениями принципиального характера, электродинамический метод расчета должен быть также прщщипиально строгим с тем, чтобы предпосылки эвристического типа могли быть оценены без маскирующего фона возможных неточностей расчета.
Показано, что с указанной точки зрения наиболее целесообразно использование программного комплекса (EDEM-3D), разработанного А.Г. Давыдовым и Ю.В.Пименовым. На основе указанного комплекса скомпано-ваны специализированные программы ("MULTILOOP" и "VIBKNOBE") для расчета параметров петлевых структур и вибраторов с переменным диаметром плеча.
Во второй главе уточняется обобщенный критерий широкополосное Чу-Харрингтона. Показано, что в рамках принятой математической модели, предельный радиус сферы а0, окружающей антенну определяется соотношением
0 2л- V 2xR2x3 где # = /в//и-диапазонность антенны (/,, /„ - соответственно верхняя и нижняя частота рабочего диапазона), Рт - предельно допустимое значение коэффициента отражения в рабочем диапазоне частот и R2- функция, близкая к единице. Для точного определения а0 приводится функциональное соотношение для Я2, график зависимости R2 от % и аппроксимирующие соотношения.
Из соотношения (в.1) следует, что значение а0 практически слабо зависиг
от х, если величина |Рт| может быть достаточно большой. Однако при жестких
требованиях к коэффициенту отражения ([/^«l), уменьшение величины а0 возможно только при резком снижении диапазонное работы антенны %. Для оценки степени малогабаритности антенны вводится параметр качества р, под которым понимается отношение радиуса сферы а0, описывающей идеальную антенну к радиусу сферы, описывающую реальную антенну:
P = aja.
На основе рекомендаций Чу по реализации антенны с высоким параметром р, формулируется принцип, положенный в основу разработки малогабаритных антенн: излучатели в форме петлевых структур с током, поле излучения которых содержит продольную составляющую вектора Е, являются потенциально малогабаритными по критерию Чу-Харрингтона. С учётом этого принципа предложены петлевые вибраторные антенны, с петлями треугольной формы, характеристики которых определяются в 3-ей главе диссертации.
В этой главе на основе программы «EDEM-3D» исследуются плоские и объемные петлевые вибраторы и оптимизируются их параметры. Предложенные антенны образованы дискретным поворотом петлевых структур треугольной формы. При соответствующем выборе геометрических параметров предложенные структуры могут быть трансформированы в типовые антенны Пистолькорса. Показано, что антенны Пистолькорса не являются оптимальными по критерию качества р. Определена оптимальная форма петлевых антенн. Показано, что высота структур, близких к оптимальным, приблизительно равна величине * 0ЛЛ„, что соответствует высоте оптимальных конических вибраторов с шунтами^ исследованных Г. С. Омаровым. Резонансные длины волн Хр петлевых структур в первом приближении кратны половине
периметра петель структуры, причем первая резонансная частота объемной структуры может быть вырожденной. Показано также, что конденсатор, включенный в центральный проводник петлевых структур, может быть использован как трансформатор сопротивлений, позволяющий изменять
величину активной составляющей входного сопротивления антенны от десятков Ом до сотен Ом. Кроме того, при соответствующем подборе величины и точки включения этого конденсатора можно получить почти неизменную по частоте величину активной составляющей входного сопротивления в широком диапазоне частот (с коэффициентом перекрытия # = 1.4+1.8), что удобно при согласовании антенны одним перестраиваемым реактивным элементом при высоких требованиях к КСВ ( КСВ < 1.2-г 1.3). Параметры оптимизированного варианта плоского петлевого вибратора существенно превышают параметры, повидимому, наиболее удачной плоской широкодиапазонной антенны, известной по литературным данным - антенны, разработанной на основе самодополнительной структуры. Параметры этих антенн сведены в табл.1.
Таблица 1
Оптимизированные объемные петлевые вибраторы, несколько уступая коническим вибраторам по параметру р (р = 0.5+0.54 для петлевых вибраторов и /? = 0.6 4-0.85 для конических вибраторов с шунтами), более предпочтительны с учетом других параметров. Они могут быть выполнены на основе ВУТЭ, что может дать существенный выигрыш по массе антенны и времени ее разворачивания. Поперечный размер петлевого вибратора на 20% меньше поперечного размера конической антенны при равенстве высот, что существенно с учетом ограниченности площади установки антенн на транспортном средстве.
В четвертой главе диссертации рассматриваются параметры вибраторных антенн KB диапазона. С помощью программы «EDEM-3D»
исследуются особенности частотной зависимости входного сопротивления вибратора с переменным диаметром плеча. Выбранная для анализа форма вибратора в широких пределах может имитировать структуру быстро-разворачиваемого вибратора на основе ВУТЭ, механизм разворачивания которого располагается в основании антенны. Показано, что с точностью, достаточной для инженерных расчетов, входное сопротивление рассматриваемого вибратора равно входному сопротивлению эквивалентного вибратора с плечами цилиндрической формы, входные клеммы которого зашунтированы емкостью, величина которой определяется емкостью образующей конического перехода от входных клемм к цилиндрическому участку плеча и области излома границы конус-цилиндр. С точностью до 1+2% величина указанной емкости Сд равна Сд(пФ) «204(d22/,)(jh), где D2 -
диаметр цилиндра механизма разворачивания и Ly - расстояние от входной клеммы до цилиндрического участка антенны с диаметром D2. В четвертой главе приводятся также параметры вибраторной антенны с регулируемой величиной входного сопротивления, предложенной автором совместно с В.И. Куркиным и В.Б. Белянским. Структура антенны позволяет реализовать ее на основе упруго трансформируемых лент U-образной формы.
В пятой главе диссертации приводятся методики и результаты экспериментального исследования антенн предложенных типов. Измерения выполнены на моделях антенн в масштабе -1:10 для петлевых антенн и 1:30 для несимметричной вибраторной антенны. Результаты измерений близко соответствуют полученным расчетным данным. Научные положения выносимые на защиту приводятся в главе «ЗАКЛЮЧЕНИЕ».
Диссертация состоит из введения, заключения и риложения, и содержит 133 страниц машинописного текста, 105 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 69 наименований.
Современное состояние техники разворачиваемых антенн
Благодаря круговой диаграмме коэффициент усиления вертикальной антенны остается приемлемым для углов возвышения между 0" и 65. По этой причине антенна особенно подходит для приема вертшсально поляризованной земной волны. Две горизонтальные дипольные антенны имеют вертикальную диаграмму, чей основной лепесток имеет угол возвышения 25 (с шириной луча по половинной мощности ± 15).
Вследствие малого уровня под низкими углами возвышения, помеха на радиочастотах из-за электрических приборов сведена к едва значимому уровню. Статистические измерения показали, что угловые пределы, ниже которых принимается 80 % сигналов ионосферной волны, совпадают с шириной луча по уровню половинной мощности основного лепестка горизонтальных дипольных антенн.
Эта антенная структура очень полезна во многих ситуациях вследствие благоприятного отношения сигнал/шум и возможности получения горизонтально и вертикально поляризованных волн независимо и определения поляризации падающей волны. Интересная особенность - возможность получить ненаправленный прием горизонтально поляризованных волн при использовании двух активных диполей, питаемых со сдвигом 90" (турникетная антенна).
Конические вибраторы обладают рядом достоинств, делающих целесообразным их применение a KB диапазоне. Они являются самыми малогабаритными среди ненаправленных антенн. Они сверхширокополосны как по диаграммам направленности, так и по согласованию, и могут без перестройки работать в диапазоне частот с перекрытием 6:1, а в ряде случаев и выше.
Существует возможность синтеза излучателя по заданному значению КБВ. По виду диаграммы направленности все существующие антенны можно разделить на две группы: антенны типа «Groud plane» (сокращенно GP) -обладающие круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, и направленные антенны, имеющие более или менее узкую диаграмму направленности в определенном направлении. Полезно отметить, что от диаграммы направленности антенны зависит не только уровень сигнала, но и уровень помех, поступающих на вход приемника.
Очевидно, что антенна, установленная на автомобиле должна обладать круговой диаграммой направленности, кроме того для увеличения дальности связи необходимо, чтобы главный лепесток ее был прижат к горизонту. Поэтому все выпускаемые антенны этого класса имеют штыревую конструкцию, они просты в изготовлении, надежны и обладают малым аэродинамическим сопротивлением. Наилучшие результаты по дальности связи дает полноразмерная штыревая антенна длиной А./4 ( X«Им -. рабочая длина волны), роль заземляющей поверхности которой (противовеса) выполняет металлический кузов автомобиля. Однако при движении антенна такой длины задевает за ветки деревьев, арки, въездные ворота и.т.д., поэтому изготовители используют такой метод их укорочения, как установка сосредоточенной индуктивности в основании или в середине штыря, а также индуктивности, распределенной по всей длине антенны.
Еще одним серьезным недостатком всех существующих на сегодняшний день моделей автомобильных антенн является их узкополосность. Штыревая антенна сама по себе очень узкополосна, а при использовании электрического укорочения полоса пропускания такой антенны резко уменьшается. Таким образом даже лучшие модели автомобильных антенн способны перекрыть не более 240 каналов из 400 возможных. Расширить полосу пропускания можно путем искусственного внесения потерь в излучение, для чего металлический штырь покрывается слоем фибергласса или углепластика (диэлектрик с потерями), но при этом КПД антенны снижается на 3 - 6 Дб. В результате, в зависимости от степени укорочения и уровня вносимых потерь, налицо общее снижение коэффициента усиления антенны (КУ).
Ниже на рис. 1.5 представлены основные характеристики и общий вид некоторых довольно распространенных моделей автомобильных Си-Би антенн (из каталога фирмы SIRIO).
Следует учесть, что многие фирмы склонны завышать характеристики своей продукции, публикуя данные снятые в отдельных случаях при особо благоприятных условиях. 1.3.3. Особенности измерения напряженности ноля и уровня помех в KB диапазоне
Из пункта 1.2.3 следует, что важней функцией международной системы мониторинга радиоспектра является измерения уровня напряженности поля и помех по единым методикам, обеспечивающим сопоставимость полученных результатов. Особенностью электромагнитного поля KB диапазона является его многолучевость, поэтому понятие «напряженность ЭМ поля» является расплывчатым, пока не определены характеристики антенн, с помощью которых определяется уровень поля. В соответствии с рекомендациями МСЭ в указанном диапазоне волн принято понятие «Эффективное значение напряже нности поля» под которым понимается действующее значение вектора Е вертикально поляризованной плоской электромагнитной волны, при котором напряжение на согласованном выходе эталонной антенны имеет такое же значение, как и напряжение на выходе этой антенны, создаваемое измеряемым электромагнитным полем. Поэтому в KB диапазоне волн при измерении напряженности поля и уровня помех целесообразно использовать четвертьволновый несимметричный вибратор с низким уровнем кроссполяризационных составляющих и с действующей длиной, с высокой точностью определяемой теоретически и по результатам измерений с помощью датчиков эталонного поля.
Аргументом в пользу использования в качестве эталонной антенны линейного электрического вибратора является также то обстоятельство, что такие вибраторы используются в качестве антенных элементов в сложных антенных системах KB радиосвязи.
Программная среда программы расчета исследуемых антенн
В настоящее время разработаны различные методы решения задачи дифракции на незамкнутых поверхностях. Одни из них базируются на строгом подходе, а в других уже при постановке задачи делаются некоторые эвристические предположения.
Существующие в настоящее время строгие аналитические методы решения электродинамических задач, такие как метод Фурье [37], метод Гинберга [38], метод разветвленных решений [36], метод интегральных уравнений [37], метод интегральных преобразований [37,39,40] и метод факторизации [32] позволяют получить решение лишь в ограниченном числе простых частных случаев и поэтому непригодны для анализа интересующих нас структур.
К методам, базирующимся на эвристических предположениях относятся такие широко известные методы, как физическая оптика (ФО), метод краевых волн (МКВ), геометрическая оптика (ГО), геометрическая теория дифракции (ГТД), а также различные модификации ГТД.
В методе ФО предполагается, что плотность токов, наведенных на освещенной части рассматриваемой поверхности, определяется выражением ]{М) - 2\п0(М),Й(М)\м eS,a на затененной - равна нулю. Метод ФО широко используется при расчете диаграмм направленности зеркальных антенн. Несмотря на заведомо неправильное представление о характере распределения токов вблизи края поверхности, этот метод в случае больших зеркальных антенн позволяет с приемлемой для практических целей точностью определить структуру поля в области максимальной интенсивности.
Метод краевых волн развит П.Я. Уфимцевым [36]. Он позволяет уточнить результаты, получаемые по методу ФО в тех случаях, когда рассматриваемая поверхность имеет острую кромку или изломы (ребра). В МКВ предполагается, что плотность токов, наведенных на поверхности с ребрами, определяется выражением ] = j + ] , где у фо - плотность токов, вычисленная в приблежении ФО (равномерная составляющая), a j -плотность неравномерной составляющей тока, который сосредоточен вблизи ребра (кромки) поверхности и имеет такое же распределение, как неравномерная составляющая тока вблизи ребра эквивалентного клина [36].
Метод ГО базируется на предположении о возможности представления электромагнитного поля в виде системы лучей. Он широко используется при расчете зеркальных антенн. В случае гладких выпуклых поверхностей метод ГО дает хорошие результаты при вычислении поля в освещенной части пространства и неприменим в области тени. Геометрическая теория дифракции (ГТД) предложена Дж.В.Келлером [41,42].Она является развитием ГО. В ГТД наряду с первичными (падающими) и отраженными лучами, с которыми оперируют в ГО, вводятся в рассмотрение дифракционные лучи. Предполагается, что поле дифракционного луча в точке дифракции пропорционально полю падающего луча. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом дифракции. Коэффициенты дифракции, введенные в работах Дж.В.Келлера, не позволяют расчитать поле в некоторых областях пространства, примыкающих к границам (свет - тень), фокальным точкам и линиям, каустикам и др. Поэтому в последующих исследованиях по ГТД большое внимание уделялось разработке модификаций ГТД с целью расширения ее возможностей. В настоящее время ГТД - один из наиболее эффективных методов построения приближенных решений при ка»\. На ее основе решено большое число важных для практики дифракционных задач. Формулы, получаемые при использовании ГТД , обычно относительно просты и обладают физической наглядностью. Однако в ряде случаев принятое в ГТД лучевое представление электромагнитных полей приводит к определенным неудобствам из-за необходимости учета большого количества лучей, трудности определения точек отражения и дифракции и.т.п..
Перечисленные методы (ФО, ГО, МКВ и ГТД) применимы только в случае больших по сравнению с длиной волны объектов и для анализа интересующих нас антенн непригодны.
Широкое применение в решении задач дифракции на незамкнутых поверхностях получили асимптотические методы, основанные на строгой постановке задачи и развитые для случаев длинноволнового (ка« 1) и коротковолнового {ка » 1) приближений, где а - характеристический размер поверхности [43,44,45]. Однако этими методами решены электродинамические задачи для тел (экранов) простейшей формы. Поэтому их применять для интересующих нас случаев затруднительно. В связи с развитием вычислительной техники в электродинамике интенсивно развивается направление, основанное на численном решении задач дифракции.
Весьма эффективными оказались методы, основанные на сведении задач дифракции к интегральным или интегро-дифференциальным уравнениям. В частности, для трехмерных объемных тел, обладающих симметрией вращения, эффективные подходы и алгоритмы были предложены Е.Н. Васильевым [46], с помощью которых задача сводилась к системе одномерных интегральных уравнений.
Следует отметить, что применение численных методов для решения интегральных уравнений первого рода встречает определенные трудности. Это связано с тем, что численное решение интегрального уравнения Фредгольма первого рода относится к классу некорректно поставленных математических задач и может оказаться неустойчивым, то есть, сколь угодно малым изменением входной информации (правой части интегрального уравнения) могут соответствовать сколь угодно большие изменения выходной информации (его решения). Принципиальная возможность численного решения некорректно поставленных задач и, в частности, интегральных уравнений Фредгольма первого рода появилась с созданием теории регуляризирующих алгоритмов [47]. Методы регуляризации обладают большой универсальностью и поэтому применимы к широкому классу некорректных задач. Вместе с тем специфика интегральных уравнений рассматриваемых задач позволила создать более простые алгоритмы. Так, был разработан метод решения интегральных уравнений Фредгольма первого рода с логарифмической особенностью при совпадении аргументов, получивший название метода саморегуляризации [48,49].
Применение сосредоточенных нагрузок с целью оптимизации параметров плоских петлевых антенн
Смысл параметров легко видеть из схемы моделей и комментариев в скобках, пояснения требуют лишь величины m и К1. Решение задачи проводится путем дискретизации интегральных уравнений. С физической точки зрения это означает разбиение исходной модели на элементы, т.е. построение расчетной сетки. Чем больше количество элементов сетки, тем точнее результаты решения, и в то же время больше время, необходимое для решения уравнений. Точность решения зависит также от соотношения размеров сеточных элементов на различных частях антенны. В частности, центральный проводник имеет диаметр, отличающийся от диаметра других проводников, и элементы сетки на нем должны иметь иной размер. Путем численных экспериментов было исследовано влияние количества сеточных элементов и соотношения их размеров на точность решения. Были выбраны значения, дающие достаточную для практических целей точность. Пользователь может использовать эти значения, задав параметр т =;.
Если задать параметр т 1, количество элементов сетки будет пропорционально уменьшено на всех частях антенны, если задать т 1 - увеличено. При этом изменится точность и время, необходимое для решения. Проводя серию решений при различных значениях т, можно проследить за сходимостью решения и оценить его точность. Эта точность для некоторого т0 обычно того же порядка, что и разница в решении для этого значения т0 и некоторого ті, превышающего то в 1.5 и более раз. Параметр Kl = b/L2 задает положение сосредоточенной нагрузки. При К1=1 нагрузка расположена вплотную к разветвлению полотна антенны. Это значит, что при численном решении она будет отнесена к тому элементу сетки на центральном проводнике, который является крайним у разветвления. При других К1 сосредоточенная нагрузка может быть отнесена к другому элементу на центральном проводнике. Поскольку размеры элемента сетки конечны, фактическое положение сосредоточенной нагрузки может соответствовать значению К1, несколько отличающемуся от заданного. Это фактическое положение определяется программой автоматически округлением заданного КТ до ближайшего возможного значения (в сторону уменьшения). Скорректированное значение К1 выводится среди результатов решения.
Когда файл с исходными данными загружен, становится доступными еще две кнопки на панели инструментов - «Save» и «Save as». С помощью этих кнопок можно сохранить отредактированные значения исходных параметров в том же файле (кнопка «Save») либо в новом файле (кнопка «Save as»). При использовании кнопки «Save as» появится диалоговое окно с запросом имени нового файла. Имя может быть любым, однако, желательно, чтобы оно имело расширение «.mlp» (например, «datal.mlp»). В этом случае файл будет автоматически распознаваться операционной системой Windows 95/98 как документ программы MULTILOOP. В этом режиме доступна также кнопка для очередного шага решения задачи - «Next step». Когда подготовка исходных данных закончена, можно сделать первый шаг решения задачи - построение расчетной сетки. Для этого следует воспользоваться кнопкой «Next step», либо эквивалентным ей сочетанием клавиш Cntrl+Enter на клавиатуре.
Программа построит расчетную сетку и выведет основные сведения о ней в окно задачи. Само окно с этого момента блокируется от внесения пользователем изменений, что подчеркивается сменой его фона на серый.
В окне появится фактическое (скорректированное) значение кі, общее количество элементов сетки (total), и, кроме того, количество этих элементов на центральном проводнике одной из полуветвей антенны (center), на верхнем проводнике (top), а также на боковом (side), например: Corrected К1 = 0.993; Gride total elements: 590; center: 71; top: 36; side: 59;
Следующий шаг - решение интегральных уравнений. Для перехода к этому шагу следует вновь воспользоваться кнопкой панели инструментов «Next step». Ход решения отображается в левой части статус-бара, где выводится номер обрабатываемого элемента сетки и их общее количество. Во время решения становится активной кнопка «Stop», с помощью которой можно прервать процесс решения.
После окончания решения уравнений в окне задачи появляются результаты: входной импеданс и распределение токов вдоль антенны. Значение импеданса соответствует задаче для одной полуветви антенны над идеально проводящей плоскостью.
Для токов выводится модуль и фаза полного тока в центральном проводнике одной из полуветвей антенны (center), в верхнем проводнике (top), а также в боковом проводнике (side).
Одновременно с этим становится активной кнопка панели инструментов «Save currents». Эта кнопка позволяет сохранить значения плотности токов в виде текстового файла на диске для их последующего использования. Имя файла запрашивается в специальном диалоговом окне. Расширение файла рекомендуется задавать как «.txt», например «currentsl.txt», что облегчит дальнейшую работу с ним. Формат этого файла выбран таким, чтобы значения токов было легко импортировать в таблицу диаграммы Microsoft Graph, которая является одним из элементов текстового редактора Microsoft Word. Такая возможность позволяет вставить график распределения токов в статью, отчет и т.п., не набирая их значения вручную.
Следующий шаг - вычисление диаграмм направленности. Для перехода к этому шагу следует, как обычно, воспользоваться кнопкой панели инструментов «Next step». Диаграммы вычисляются для трех плоскостей: ZX, ZY и XY (см. рис.2.5 ). Ход вычислений отображается в левой части статус-бара.В каждой плоскости вычисления производятся в секторе углов 90 (с шагом 5), так как в других секторах диаграмма вследствие симметрии исходной системы получается переносом и зеркальным отражением этих результатов. Вычисления можно прервать с помощью кнопки «Stop».
После окончания расчета диаграмм в окне задачи появляются результаты: значение угла и нормированного на максимум модуля диаграммы направленности. Для плоскостей ZX и ZY в качестве угла берется theta, а для плоскости XY - fi (см. рис.2.5). Одновременно становятся активными кнопки панели инструментов «Save pattern in ZX plane», «Save pattern in ZY plane» и «Save pattern in XY plane». С помощью этих кнопок полученные диаграммы можно сохранить в виде текстовых файлов так же, как значения токов. На этом решение задачи заканчивается.
Разворачиваемый вибратор Пистолькорса с регулируемой величиной вводного сопротивления
Первая модель объемной вибраторной антенны, экспериментальные данные о которой были доложены нами в 1999 году [30], имела следующие параметры: Измеренные значения КСВ этой антенны приведены на рис.5.9 (сплошная кривая). Расчетные значения КСВ полученые позднее с помощью программы «MULTILOOP», приведены на этом же рисунке пунктиром. Приведенные данные подтверждают хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями. Для дальнейших экспериментальных исследований была выполнена модель антенны в масштабе 1:10(рис.5.86), имеющая размер экрана 1.5x1.5л 2 и параметры Уточнение размера /..определяющего величину емкости С, выполнялось подбором по значению КСВ в рабочем диапазоне частот. Результирующие измерения выполнены при /с « 70лш. Для оценки величины С, по методике раздела 5.1 были выполнены измерения входного сопротивления антенны в диапазоне частот (165-205)МГц. Частота первого последовательного резонанса /0«220МГг/ определена измерением разности смещения узлов (гю - ZA )мм (рис.5.10).
Оценка уровня кроссполяризационных составляющих антенны выполнена измерениями диаграммы направленности антенны на конусе для угла места Д = 30 при вертикальной и горизонтальной поляризации передающей антенны. В качестве передающей использовалась уголковая антенна № 01077 с линейной поляризацией, снабженная устройством вращения антенны по оси главного излучения. При изменении азимутального угла антенны напряжение на ее выходе менялось в пределах ±0.5дБ при вертикальной поляризации передающей антенны и в пределах +1.5дБ при горизонтальной поляризации передающей антенны, причем уровень напряжения на выходе приемной антенны для горизонтально поляризованной волны был близок к уровню фона помех в -13 дБ.
В настоящей работе предложены и исследованы на основе строгого электродинамического расчета и экспериментально новые типы антенн, удобные для реализации в качестве быстроразворачиваемых антенн подвижной связи УКВ и KB диапазонов для МЧС и служб мониторинга радиоспектра Ливана. Основными результатами работы является следующее: 1. Предложен и исследован новый тип антенн, являющихся потенциально широкополосными по критерию Чу-Харрингтона - плоские и объемные петлевые вибраторы с петлями треугольной формы. Геометрия таких антенн удобна для реализации быстроразворачиваемых антенн на основе ВУТЭ. 2. Показано, что по обобщенному критерию Чу-Харрингтона (параметру качества/?) плоские петлевые вибраторы треугольной формы превосходят плоские антенны, разработанные на основе принципа самодополнительности, а объемные петлевые вибраторы приближаются к лучшим образцам конических вибраторов с шунтами, но обладают рядом других улучшенных параметров - меньшей массой, меньшим поперечным габаритом, возможностью гибкого выбора диапазонности и уровня КСВ. 3. Получено соотношение в замкнутой форме для параметра качества /?, как обобщенного критерия Чу-Харрингтона. 4. Показано, что резонансные частоты петлевых вибраторов определяются в первом приближении половиной периметра петли. 5. Показано, что конденсатор, включенный в центральный провод петлевых вибраторов треугольной формы, может быть использован в качестве трансформатора сопротивления, позволяющего изменять активную составляющую входного сопротивления антенны от десятков Ом до сотен Ом. 6. Определена оптимальная форма петлевых вибраторов по критерию качества. 7. Показано, что при соответствующем выборе формы петлевых вибраторов, места включения сосредоточенной емкости в центральный проводник антенны и величины этой емкости возможно согласование с низким уровнем КСВ ( КСВ 1.2+1.3) в широком диапазоне частот {% 1.3-Ч.6) при помощи одного перестраиваемого реактивного элемента. 8. На основе строгого электродинамического расчета уточнены параметры типовых антенн Пистолькорса. Показано, что по критерию широко-полосности оптимальный угол раствора проводов плеч вибраторов Пистолькорса должен быть равен 20+30. 9. Предложен вариант вибратора Пистолькорса с регулируемым уровнем входного сопротивления. Геометрическая структура антенны удобна для реализации ее в качестве быстроразворачиваемой антенны KB диапазона на основе выдвижных упруго трансформируемых профилей в виде лент U-образной формы. Ю.Выполнено исследование вибраторной антенны с переменным диаметром плеча. Выбранная форма плеча имитирует в широком диапазоне геометрических параметров быстроразворачиваемую вибраторную антенну KB диапазона на основе ВУТЭ, механизм разворачивания которой расположен у основания антенны. 11.Показано, что по входному сопротивлению вибратор с переменным диаметром плеча эквивалентен вибратору с плечами цилиндрической формы, вход которого зашунтирован емкостью, величина которой легко определяется по геометрическим параметрам антенны. С точностью, достаточной для инженерных расчетов определены в виде простых расчетных соотношений параметры эквивалентной вибраторной антенны.
