КОАКСИАЛЬНО-КОЛЛИНЕАРНАЯ АНТЕННА СО ЩЕЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ СХЕМОЙ ПИТАНИЯ

March 29, 2012 by admin Комментировать »

Мишустин Б. А.

Московский энергетический институт Россия – 111250, Москва, Красноказарменная, 14 тел. (095) 372-52-42, e-mail: mishustinBA@mpei.ru Редькина Е. А., Слезкин В. Г. Севастопольский национальный технический университет Украина – 99053, Севастополь, Студгородок тел. (0692) 23-51-18, e-mail: rt.sevgtu@stel.sebastopol.ua

Аннотация – Представлены результаты теоретического исследования коаксиально-коллинеарной антенны с одной ступенью последовательного делителя питания, но большим числом элементов. Это достигается использованием щелей в внешнем проводнике коаксиала, отстоящих на 2 длины волны.

I. Введение

Fig. 1. An entire schematic diagram of the antenna considered (a) and of radiating element (b)

В нашем докладе [1] обсуждается коаксиально- коллинеарная антенна с последовательным делителем питания. При п ступенях делителя реализуется антенна с 2п+1 синфазно возбужденными элементами. Однако при 3 и более ступенях последовательный делитель становится весьма сложным, с высокими требованиями к точности его выполнения.

б)

Рис. 1. Полная схема рассматриваемой антенны (а) и излучающего элемента (б).

В статье [2] предлагается коаксиально-коллинеар- ная антенна на основе кабеля, во внешнем проводнике которого через определенные расстояния выполнены щели. Отрезки между щелями образуют излучающие элементы. Антенна имеет простую конструкцию, но весьма узкополосна и не позволяет выполнять настройку входного сопротивления.

Цель данного доклада: показать, что можно найти достаточно простую конструкцию коаксиально- коллинеарной антенны, совмещающую преимущества варианта с последовательным делителем и щелевой схемой возбуждения.

II. Основная часть

Предлагаемая антенна (рис.1) содержит жесткий коаксиал, во внешнем проводнике которого прорезаны кольцевые щели на электрическом расстоянии 2Х (X – длина волны). Каждая щель обеспечивает возбуждение коаксиального излучающего элемента, состоящего из трех трубчатых отрезков длиной около

0.        5Х. Крайние отрезки соединены с внешним проводником коаксиала шайбами, расстояние от которых до щелей 1к можно варьировать. Конструкция позволяет перемещать каждый излучающий элемент вдоль внешнего проводника коаксиала. Таким образом, обеспечивается достаточное число степеней свободы для обеспечения настройки антенны при ее изготовлении.

Входное сопротивление антенны может быть найдено как входное сопротивление линии передачи с последовательно включенными через 2Х нагрузками. Например, для антенны с 4 элементами 3 нагрузки, являющиеся входными сопротивлениями элементов Zei, включены последовательно, а одна является оконечной.

Анализ входного сопротивления элемента антенны проводился приближенным методом эквивалентных схем [2].

ДН элемента была рассчитана путем интегрирования идеализированного синусоидального распределения токов. Методом Пойнтинга было найдено сопротивления излучения RE , затем из равенства полного сопротивления потерь сопротивлению излучения было найдено погонное сопротивление потерь эквивалентной линии R-i и постоянная затухания а. Входные сопротивления каждой из двух щелей элемента были определены как входное сопротивление линии с потерями.

Величина Zei была найдена путем пересчета сопротивлений щелей излучающего элемента с учетом волнового сопротивления второго коаксиала к щелям во внешнем проводнике первого коаксиала.

При проектировании предложенной антенны можно выбрать волновое сопротивление первого коаксиала равным волновому сопротивлению фидера, например, 50 Ом. Тогда на средней частоте входные сопротивления элементов, очевидно, должны быть равны Ze! = 12.5 Ом, так как складываются последовательно. Волновое сопротивление второго коаксиала р2 можно выбрать из конструктивных соображений. Длины трубчатых отрезков элементов следует подбирать так, чтобы активная часть входного сопротивления щелей была равна пересчитанному к щелям сопротивлению Ze\, а реактивность носила емкостной характер. Эту реактивность можно скомпенсировать индуктивным входным сопротивлением короткозамкнутого отрезка коаксиала между щелью излучающего элемента и шайбами.

С целью проверки возможности описанного подхода были выполнены расчеты для р2 = 24 Ом. При этом требуемое значение активной составляющей входного сопротивления щели равно 92 Ом. Длины трубчатых отрезков были равны 0.5Х для частоты 900 МГц. Радиус трубчатого элемента составил 1/10 от его длины. Результаты расчета входного сопротивления щели представлены на рис.2.

Рис. 2. Зависимость входного сопротивления щели от частоты.

Fig. 2. Frequency dependence of slot input impedance

Видно, что на частоте 946 МГц активная составляющая имеет требуемое значение 92 Ом, однако, так как на этой частоте расстояние между щелями уже не будет равно 0.5Х, не следует ожидать полного согласования антенны (рис.З).

Рис. 3. Зависимость КСВ входа антенны от частоты.

Fig. 3. Frequency dependence of antenna input VSWR

Можно видеть, что даже без оптимизации размеров можно получить относительную полосу согласования по уровню КСВ 2.0 примерно 5%.

I.    Заключение

Предложен вариант коаксиально-коллинеарной антенны, в котором трубчатые излучающие элементы, каждый из трех отрезков длиной около 0.5А, возбуждаются щелями, прорезанными во внешнем проводнике жесткого коаксиала. На основе анализа, выполненного приближенным методом эквивалентных схем, показано, что антенна может быть согласована с питающим кабелем в полосе частот, достаточной для многих практических целей.

II.   Список литературы

[1]    Мишустин Б. А.. Слезкин В. Г., Редькина Е. А. Оптимизация характеристик излучения коаксиальных кол- линеарных антенн с последовательными делителями питания В кн.: 12-я Междунар. конф. КрымИКО-2002. Материалы конференции,- Севастополь: «Вебер»,

2002,          – с. 347-348.

[2]    J-F. Kiang. Analysis of Linear Coaxial Antennas.IEEE Trans. Antennas Propagat.,Vol.46,No.5,1998.-P.636-642.

[3]    Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М., Высш. шк., 1988. – 432 с.

THE COAXIAL COLLINEAR ANTENNA WITH SERIES SLOT FEEDING SCHEME

Mishoostin B. A.

Moscow power engineering institute Krasnokazarmennaya 14, Moscow – 111250, Russia

tel. (095) 372-52-42, e-mail: mishustinBA@mpei.ru Slyozkin V. G., Redkina E. A.

Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sevastopol – 99053, Ukraine tel. (0692)23-50-18, e-mail: rt. sevgtu@stel. sebastopol. ua

Abstract – The results of theoretical investigation of coaxial- collinear antenna with one-staged but many element series feeding divider are presented. This is released by usage of slots in outer conductor of coaxial line, located 2 wavelength distance apart each other.

I.  Introduction

In our paper [1] a coaxial-collinear antenna with series feeding divider is discussed. For divider with n stages one can realise an antenna with 2n+1 in-phase excited elements. However divider with 3 or more stages becomes very complicated in construction and production.

In [2] a coaxial-collinear antenna is presented on the basis of coaxial cable having periodically located slots cut in outer conductor. Metal lengths between slots form radiating elements. This antenna is constructively simple, but has very narrow operating frequency band and does not permit input impedance tuning.

This paper objective is to show the possibility of finding rather simple construction of a coaxial-collinear antenna combining the advantages of version with series feeding divider and of that with slotted excitation scheme.

II.  Main part

The antenna proposed (Fig. 1) contains a rigid coaxial line having ring-like slots in its outer conductor. An electric distance between slots is 2X (X is the wavelength). Each slot provides excitation of a coaxial radiating element which contains three tubular cuts of about 0.5X long. The extremely positiopned cuts are connected to the outer conductor of the coaxial by spacers, having variable distances lk from slots. The construction allows moving each radiating element along of the coaxial. By this way the sufficient number of degrees of freedom to maintain antenna tuning is provided.

The input impedance of the antenna can be found as an input impedance of feeding line with series loads. Analysis of an element input impedance is made by an approximate equivalent circuit’s method [2]. An element far-field pattern is calculated by integration of idealized sine current distribution. A loss factor of equivalent feeder is obtained in terms of radiation resistance of unit length, which is calculated by Pointing method.

During the antenna design the characteristic impedance of first coaxial should be equalled to that of feeder, for example, 50 Ohm. Then input impedances of elements at mean frequency are evidently equalled to Zei = 12.5 Ohm.

Calculations are made for element lengths of 0.5X at 900 MHz (Fig.2,3). Suitable conditions are reached at 946 MHz, but quarter-wavelength conditions are broken, so ideal matching cannot be provided. However even without the size optimisation it is possible to realise VSWR less than 2.0 in a relative bandwidth about 5 %.

III.  Conclusion

The coaxial-collinear antenna version is proposed. On the basis of the approximate theoretical estimation it is shown, that the antenna can be matched to a feeder within frequency band which is sufficient for many practical applications.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты