Широкополосная антенна коротковолнового диапазона, состоящая из несимметричных вибраторов

Полный текст

Введение

Существующие системы мобильной радиосвязи КВ-диапазона используют набор передающих слабонаправленных антенн [1]. К таким антеннам относят V-образные антенны, вибраторы наклонные, Т-образные антенны и др. Необходимость применения целого ряда антенн обусловлена тем, что антенны КВ-диапазона обладают небольшим коэффициентом перекрытия диапазона, низким коэффициентом усиления и низким подавлением бокового излучения. Самым существенным недостатком этих антенн является то, что коэффициент усиления сильно меняется от частоты. Поэтому для обеспечения современных требований по широкополосности, коэффициенту усиления и подавлению заднего лепестка используют логопериодическую антенну (ЛПА) [2]. Она обладает постоянной диаграммой направленности на разных частотах, а отношение максимальной длины волны к минимальной превышает величину равную десяти. В режиме передачи в ЛПА активными являются те вибраторы, которые находятся в активной области антенны. В качестве излучающих элементов в ЛПА используются полуволновые вибраторы, что накладывает конструктивные ограничения на использование данной антенны в нижней части КВ-диапазона из-за их размеров.

Цель работы — разработка антенны КВ-диапазона, состоящей из несимметричных вибраторов и имеющей более широкий диапазон работы, чем логопериодическая антенна.

 Расчет антенны КВ диапазона, состоящей из несимметричных вибраторов

Для решения поставленной задачи представим полуволновые вибраторы ЛПА в виде несимметричных четвертьволновых вибраторов.

Из множества элементов (n) ЛПА рассмотрим систему из двух связанных вибраторов для получения однонаправленного излучения [3]. Для получения диаграммы направленности (ДН) в виде кардиоиды на фиксированной частоте требуется электрическое расстояние между вибраторами , что соответствует  и фазовый сдвиг тока . При изменении электрического расстояния между связанными вибраторами на величину

,

где d – расстояние между вибраторами; λ – длина волны, требуется изменение фазового сдвига тока возбуждения активного рефлектора по отношению к току излучателя. Фазовый сдвиг определяется в соответствии с выражением

где  – требуемый фазовый сдвиг;  коэффициент фазы [4].

Вычислим длину волны  при известных длинах четвертьволновых вибраторов  в соответствии с выражением

 .                        (1)

Задавая электрическое расстояние  между вибраторами, определим расстояние между четвертьволновыми несимметричными вибраторами:

.                                     (2)

Рассчитаем фазы токов четвертьволновых вибраторов относительно первого вибратора с фазой тока =0⁰, используя выражение

,          (3)

где n – порядковый номер вибратора.

 

Моделирование антенны КВ-диапазона, состоящей из несимметричных вибраторов

 

Проведем сравнительный анализ результатов моделирования ЛПА и широкополосной антенны (рис. 1) с использованием программного продукта MMANA [5]. Данная программа позволяет производить исследования антенн с оценкой всех ее основных параметров.

Рис. 1. Модели ЛПА и широкополосной антенны, состоящей из несимметричных вибраторов

ЛПА, рассчитанная на диапазон 11-12 МГц, имеет длину 7.25 м и высоту 13.64 м.  

Широкополосная антенна, состоящая из несимметричных вибраторов, рассчитанная на диапазон 11-12МГц по приведенной методике с электрическим расстоянием между вибраторами , имеет длину 8.4 м и высоту 6.9 м.

Проведено моделирование ЛПА и широкополосной антенны с рассчитанными фазами токов на частотах 11 и 12 МГц. Сравнительный вид ДН представлен на рис. 2.

Рис. 2. ДН ЛПА и широкополосной антенны с электрическим расстоянием между вибраторами

Анализ результатов моделирования показал, что коэффициент усиления (КУ) широкополосной антенны, состоящей из несимметричных вибраторов на частоте 11 МГц меньше на 0.5 дБ чем у ЛПА, а подавление бокового излучения меньше 3.5 дБ. На частоте 12 МГц у антенн КУ одинаковый, а подавление бокового излучения у широкополосной антенны, состоящей из несимметричных вибраторов, меньше на 0.8 дБ.

Увеличим электрическое расстояние между вибраторами в широкополосной антенне до . Данное расстояние соответствует условию получения ДН в виде кардиоиды. При увеличении электрического расстояния между вибраторами длина антенны увеличилась до 16.1 м. Проведено моделирование данной антенны при фазовом распределении по вибраторам =90⁰. Сравнительный вид ДН ЛПА и широкополосной антенны представлен на рис. 3.

Рис. 3. ДН ЛПА и широкополосной антенны с электрическим расстоянием между вибраторами

Результаты моделирования показали, что КУ широкополосной антенны, состоящей из несимметричных вибраторов на частоте 11 МГц больше на 1.6 дБ чем у ЛПА, а подавление бокового излучения меньше на 0.1 дБ. На частоте 12 МГц КУ широкополосной антенны, состоящей из несимметричных вибраторов, больше на 2.4 дБ чем у ЛПА, а подавление бокового излучения больше 3.8 дБ.

Меньшее подавление бокового излучения широкополосной антенны на нижних частотах по отношению к ЛПА связано с отсутствием активного рефлектора, т.к. последний вибратор является активным.

Для увеличения подавления бокового излучения в нижней части диапазона дополнили данную антенну несимметричным вибратором, который равен по длине последнему вибратору (рис. 4).

Рис. 4. Модель широкополосной антенны с дополнительным четвертьволновым вибратором

Широкополосная антенна с дополнительным четвертьволновым вибратором и электрическим расстоянием между вибраторами  имеет длину 11.9 м и высоту 6.9 м.

Проведено моделирование ЛПА и широкополосной антенны с дополнительным четвертьволновым вибратором на частотах 11 и 12 МГц. Сравнительный вид ДН представлен на рис. 5.

 

Рис. 5. ДН ЛПА и широкополосной антенны с дополнительным четвертьволновым вибратором и электрическим расстоянием между вибраторами

Проведенное моделирование показало, что КУ широкополосной антенны с дополнительным четвертьволновым вибратором на частоте 11 МГц больше на 2 дБ чем у ЛПА, а подавление бокового излучения больше на 5.1 дБ. На частоте 12 МГц КУ широкополосной антенны с дополнительным четвертьволновым вибратором больше на 2.7 дБ чем у ЛПА, а подавление бокового излучения больше 9.9 дБ.

Вывод

 1. Разработана широкополосная антенна, состоящая из несимметричных вибраторов.

2. Рассчитано фазовое распределение токов по излучателям в широкополосной антенне.

3. При использовании несимметричный четвертьволновых вибраторов стало возможным применение данной антенны в более широком диапазоне частот КВ диапазона по отношению к ЛПА при одинаковой высоте их развертывания.

4. При добавлении к широкополосной антенне дополнительного вибратора происходит увеличение коэффициента усиления и увеличение подавления заднего излучения при малом электрическом расстоянии между вибраторами.

______________________________

© Сысоев А.Н., Муромцев Д.Ю., Белоусов О.А., Тришаков А.А., 2025

Об авторах

Александр Николаевич Сысоев

АО «Тамбовский завод «Октябрь»

Email: trishakov2016@yandex.ru

главный конструктор

Россия, 392029, Россия, г. Тамбов, ул. Бастионная, 1

Дмитрий Юрьевич Муромцев

Тамбовский государственный технический университет

Email: mdjur@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2033-6591

д-р техн. наук, проректор по научной работе

Россия, 392000, Россия, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106/5, пом. 2

Олег Андреевич Белоусов

Тамбовский государственный технический университет

Email: jiour314@yandex.ru

канд. техн. наук, директор института энергетики, приборостроения и радиоэлектроники

Россия, 392000, Россия, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106/5, пом. 2

Алексей Александрович Тришаков

Тамбовский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: trishakov2016@yandex.ru

аспирант

Россия, 392000, Россия, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106/5, пом. 2

Список литературы

Дополнительные файлы