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
- Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном
- Экспериментальное измерение диаграммы направленности замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте
- Тангенциальный электрический диполь над сферой
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, К. Patterson, К. Britain, W. English, В. Quednau, В. Слюсар. Заметный вклад в математический анализ внесли L. Licking, G. Zhou, Т. Wu, R. Li, J. Laskar, D. Werner, P. Overfelt, R. Dome, V. Stoiljkovic, A. Ellrick, J. Storer, S. Moorthy, K. Ротхаммель, 3. 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
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: 1) круговой ненаправленный характер излучения в горизонтальной плоскости; 2) вертикальная поляризация излучаемого поля; 3) 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 согласование её 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 кольцевая 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 маловыступающих 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 широкое экспериментальное исследование 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: 1) Анализ путей повышения эффективности, и разработка метода оптимизации характеристик кольцевой антенны, установленной на объекте-носителе. 2) Экспериментальное исследование и сравнение эффективностей вибраторной антенны, используемой в подвижной связи на УКВ, и кольцевой антенны при расположении их на корпусе подвижного объекта. 3) 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.
Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном
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.
Известно [36], что ввиду малости h поверхностные токи, наведенные на экране, ограничиваются областью, края которой отстоят на 10h от проекции проводника на заземленную плоскость. Периметр кольца равен 2 смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) 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.
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.
Рис. 1.11. 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.
Экспериментальное измерение диаграммы направленности замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте
Таким образом, поле в свободном пространстве, формируемое кольцевым элементом, обтекаемым гармоническим током с изменяющейся по периметру амплитудой описывается уравнениями (3.32), (3.33); при расположении кольца над бесконечной металлической идеально проводящей плоскостью, система уравнений, описывающих поле, примет вид:
Анализ излучения кольцевой антенны в присутствии сферы сводится к анализу теории поверхностных антенн, с которыми приходится сталкиваться во всех случаях, когда излучение или прием радиоволн происходит вблизи массивных проводящих тел. Так обычный вибратор, установленный на металлическом теле, образует вместе с ним сложную антенну, характеристики излучения которой могут быть совершенно отличными от хорошо известных характеристик излучения вибратора в свободном пространстве. Аналогично этому излучение кольцевой антенны с учетом установки ее на реальном металлическом объекте будет отличаться от того, что получено в п. 3.1 для кольца в свободном пространстве. В частности, сопротивление излучения кольца с учетом сферы может возрасти за счет возбуждения последней. Тем самым эффективность кольцевой антенны, низкая для плоского бесконечного экрана, может соответственно изменится поскольку в процесс излучения радиоволн вовлекаются токи, наводимые на поверхности металлической сферы.
Точно учесть сложные подробности конфигурации реальных подвижных объектов не представляется возможным. Ввиду этого для упрощения теоретического анализа рассматривается модель, в которой реальный объект аппроксимируется проводящей заземленной полусферой некоторого радиуса b (рис. 3.5).
Применение метода зеркальных отображений позволяет перейти к схеме, представленной на рис. 3.6. Рис. 3.6. Сфера с двумя кольцевыми антеннами.
Таким образом, задача сводится к нахождению суперпозиции поля верхнего кольца в присутствии сферы и поля короткого радиального вибратора высотой h, закорачивающего кольцевую антенну вблизи точки подводящего возбуждение к кольцу. Поле нижнего (зеркального) кольца и вибратора нетрудно учесть, если произвести инверсию координат и изменить направление протекания тока в нижнем кольце и вибраторе на противоположные по отношению к току верхних элементов.
Вычисление характеристик излучения поверхностных антенн сводится к решению дифракционных задач, т.к. поле излучения поверхностной антенны формируется в результате дифракции электромагнитных волн уединенной кольцевой антенны, рассмотренной в параграфе 3.1, на проводящей поверхности.
Ниже приводятся общие выражения для излучения поверхностной антенны, состоящей из кольцевого источника и радиального короткого вибратора над проводящей сферой. Вывод опирается на классическую теорию дифракции электромагнитных волн на сфере и на использование теоремы взаимности подорбно рассмотренных авторами [67 – 73]. 3.2.1 Дифракция плоской волны на сфере
При исследовании явления дифракции электромагнитных волн на сфере обычно вводят потенциалы Дебая и и д, которые определяют составляющие электрического и магнитного поля в сферической системе координат. Вслед за авторами [74] проведем анализ, используя абсолютную (гауссову) систему единиц измерений:
При установке кольцевой антенны на металлической сфере индуктивный шлейф вблизи точки запитки монтируется перпендикулярно к поверхности сферы. Шлейф можно рассматривать как очень короткий электрический вибратор, обтекаемый высокочастотным током одинаковой амплитуды по всей длине, т.е. приближенно как электрический диполь.
Получим выражения для поля излучения радиального электрического диполя, расположенного вблизи поверхности проводящей сферы или на ней самой и образующего вместе со сферой поверхностную антенну (рис. 3.7). Плоскую волну вблизи сферы можно рассматривать как часть сферической волны, излучаемой диполем, расположенным на оси z в точке В на большом — расстоянии от центра сферы и имеющим момент Рх, направленный по оси х:
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:
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.
Тангенциальный электрический диполь над сферой
Для определения влияния формы вогнутой поверхности были исследованы зависимости неравномерности ДН и КУ от параметров внесенного вогнутого сфероида (высоты Rh, радиуса основания Rbot), находящегося под замкнутой кольцевой антенной (рис. 3.35). Выбор формы вогнутого тела в виде сфероида был обоснован тем, что для выпуклых вариантов геометрически простых тел такая форма вносит максимальную прибавку в КУ (п. 3.4.1), и для качественной оценки эффективности вогнутых поверхностей целесообразно рассмотреть этот . вариант. Кольцевая антенна, рассчитанная на резонансную частоту 60 МГц, имела высоту подвеса 70 мм. Все данные приведены относительно результатов для замкнутой кольцевой антенны, расположенной над плоской идеально проводящей поверхностью п.3.3.1. Антенна возбуждалась высокочастотным током с формой модулированного импульса Гаусса с частотой 42 МГц (3.92).
Сравнивая полученные результаты с рис. 3.28 и рис. 3.29 видно, эффективность замкнутой кольцевой антенны при вогнутом экране ниже, чем у варианта расположения внутри антенны выпуклой поверхности аналогичных размеров. Стекающие по вогнутой поверхности токи частично компенсируют друг друга и не позволяют добиться показателей усиления соизмеримых с выпуклой поверхностью тех же размеров. Можно сделать вывод о малом положительном эффекте введения внутрь кольцевой антенны экрана вогнутой формы. Учитывая, что для вогнутой конфигурации вносимой в антенну неоднородности необходимо наращивание экрана в высоту или углубления крыши подвижного объекта для расположения вогнутого экрана, решено ограничиться приведенными выше результатами и признать метод расположения вогнутых поверхностей для усиления характеристик антенны малоэффективным.
В ходе исследований маловыступающих кольцевых антенн, одним из преимуществ которых является близкая к круговой диаграмма направленности (ДН), было отмечено, что при установке на подвижном объекте (например, на автомобиле «Газель») диаграмма направленности антенны искажается.
Синтез конфигурации антенны с использованием генетического алгоритма проводился с целью уменьшения неравномерности ДН антенны при размещении на крыше «Газели», форма которой сохранялась неизменной.
Замкнутая кольцевая антенна в свободном пространстве имеет практически круговую диаграмму направленности. Ее неравномерность в горизонтальной плоскости составляет величину порядка 0,2-0.6 дБ на частотах 30 60 МГц соответственно, и обусловлена неравномерным распределением по периметру антенны тока возбуждения. Однако при установке антенны на крыше автомобиля «Газель» ДН значительно исказилась, в частности появились провалы в направлениях на углы, стали заметены выраженные максимумы в области ската крыши над лобовым стеклом. Неравномерность увеличилась и составила 4-6 дБ. На рис. 3.38 сплошной линией показана диаграмма направленности кольцевой антенны в свободном пространстве, пунктиром - диаграмма направленности той же антенны, установленной на автомобиле «Газель» (частота 60 МГц). В обоих случаях антенна представляла собой замкнутое металлическое кольцо радиусом 400 мм, выполненное из трубки внешним диаметром 10 мм, высота подвеса над металлической крышей составляла 70 мм. Большая неравномерность ДН обусловлена взаимодействием электромагнитного поля, создаваемого кольцевой антенной, с корпусом автомобиля [82].
Для использования генетического алгоритма оптимизации начальной точно круговой конфигурации кольцевой антенны зададим опорные точки (рис. 3.40). Для упрощения синтеза будем полагать, что антенна располагается на продольной оси симметрии носителя (рис. 3.39).
Оптимизация по опорным точкам позволила выделить две конфигурации антенн, геометрия которых значительно отличалась от кругового кольца и позволила снизить неравномерность ДН. На рис. 3.41 и рис. 3.42 представлены синтезированные конфигурации антенн, причем антенна №1 на рис. 3.41 имеет лучшие показатели равномерности на нижних частотах диапазона 30-60 МГц (рис. 3.42). Значения координат опорных точек для этой антенны приведены в таблице 3.2.
