АНТЕННА С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ

April 20, 2012 by admin Комментировать »

Слезкин В. Г., Евенко В. В. Севастопольский национальный технический университет Украина – 99053, Севастополь, Студгородок, тел. (0692) 23-51-18, e-mail: rt.sevgtu@stel.sebastopol.ua

Аннотация – Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования вибраторной антенны диапазона 900 МГц, содержащей три попеременно активных плеча, расположенных по окружности на торце цилиндрического экрана. Переключение обеспечивается схемой на pin- диодах. Два пассивных плеча работают как рефлекторы для активного плеча, в результате формируется одна из трех возможных диаграмм направленности шириной около 120°.

I.  Введение

На протяжении последних нескольких лет в Украине наблюдается значительное увеличение зон покрытия территории сетями мобильной связи ДМВ диапазона, например, стандарта GSM-900. Однако качество связи в этих сетях еще далеко до идеального. Улучшить ситуацию без значительных затрат можно путем разработки и внедрения антенн с переключаемыми диаграммами направленности (ДН).

В нашем предыдущем докладе [1] была предложена идея вибраторной антенны с тремя диаграммами направленности, но вопросы согласования антенны с питающим фидером, а также подробное исследование внешних характеристик не были представлены. Данные задачи являются предметом настоящего доклада.

II.  Основная часть

Рис. 2. Расчетная и экспериментальная зависимости КСВ входа антенны от частоты.

Рассматриваемая антенна (рис.1) содержит цилиндрический экран, схему питания на основе мик- рополосковой линии (МПЛ) и три «тонких» плеча.

Рис. 1. Внешний вид антенны.

Fig. 1. An external view of the antenna

Fig. 2. Calculated and experimental input VSWR frequency dependences of the antenna

Экран имеет длину образующей около четверти длины волны X и такой диаметр, что расстояния между плечами составляют около О.ЗХ. Электрическое расстояние вдоль МПЛ от центра схемы питания до точек питания плеч, в которых включены управляемые замыкатели, составляет 0.25Х. В каждый момент времени два замыкателя замкнуты, один разомкнут, так что сигнал от кабеля, питающего схему в ее центре, передается полностью одному плечу, а остальные отрезки МПЛ на режим передачи не влияют в силу эффективного холостого хода на их входах. Парциальная диаграмма направленности (ДН) формируется, как в директорной антенне: пассивные плечи играют роль рефлектров.

Расчет входного сопротивления антенны из-за сложной формы и ограниченных размеров экрана представляет значительную сложность и, по- видимому, не может быть выполнен «строгими» методами. При определенных допущениях можно попытаться применить приближенный метод наведенных ЭДС [2]. Входное сопротивление каждого из N взаимодействующих вибраторов можно найти с помощью системы уравнений

где l,U — векторы-столбцы токов и напряжений в

точках питания, Z – матрица собственных сопротив- лениий излучения и вносимых сопротивлений.

Формулы для расчета сопротивлений приведены в [2] и сводятся к интегрированию векторных потенциалов.

Из системы (1) можно выразить наведенные сопротивления излучения вибраторов Z,

В нашем случае один вибратор активен, два других замкнуты накоротко, что позволяет выразить отношения токов и, соответственно, наведенное сопротивление в пучности токов. Оценку входного сопротивления можно выполнить пересчетом наведенного сопротивления на входные зажимы вибратора. В предположении о синусоидальном распределении токов по плечам антенны можно рассчитать ДН антенны в Н-плоскости путем суммирования полей, создаваемых токами активного и пассивных плеч. Макет антенны с питанием от 50-омного коаксиального кабеля был выполнен для диапазона 900 МГц (см. рис.1). Управляемые замыкатели реализованы на pin-диодах типа 2А505А.

Результаты расчета КСВ входа и ДН антенны в Н- плоскости представлены ниже в сопоставлении с некоторыми экспериментальными данными (рис.2, 3). ДН в Е-плоскости расчету не поддается.

Рис. 3. Расчетная и экспериментальная диаграммы направленности антенны в Н-плоскости.

Fig. 3. Calculated and experimental H-plane far-field patterns of the antenna

Видно, что приближенная теория предсказывает рабочую частоту с погрешностью 5%…6% и дает завышенную оценку полосы согласования по уровню КСВ, равному двум. Реально достигнутая полоса составила около 4%. Из сопоставления ДН следует, расчет и эксперимент хорошо согласуются по форме и ширине (около 120°) главного лепестка, но реальное подавление заднего излучения (8 дБ) несколько меньше расчетного (9.6 дБ).Типичная ДН в Е- плоскости приведена на рис.4. Видно, что основное излучение антенны смещено в нижнюю полуплоскость. Для антенн стационарных пунктов мобильной связи это – благоприятный фактор. Коэффициент усиления антенны составил около 5 дБ.

Рис. 4. Экспериментальная диаграмма направленности в Е-плоскости.

Fig. 4. An experimental E-plane far-field pattern

III. Заключение

В диапазоне ДМВ можно реализовать простую по конструкции антенну, обеспечивающую формирование в пространстве трех переключаемых диаграмм направленности, положения главных лучей которых различаются на 120°. Антенна может быть рекомендована к применению для стационарных пунктов систем мобильной связи.

IV.  Список литературы

[1]    Слезкин В. Г., Евенко В. В. Вибраторная антенна с переключаемыми диаграммами направленности. В кн.: 13-я Междунар. конф. КрыМиКо’2003. Материалы конф – Севастополь: «Вебер», 2003 – С.404-405.

[2]   Айзенберг Г. 3., Белоусов С. П., Журбенко Э. М. Коротковолновые антенны,- М.: Радио и связь, 1985,- 536 с.

THE ANTENNA WTH SWITCHABLE FAR-FIELD PATTERNS FOR MOBILE COMMUNICATION SYSTEMS

Slyozkin V. G., Yevenko V. V.

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 and experimental investigations the oscillator antenna within 900 MHz frequency band are considered. An antenna consists of three alternatively active arms installed circumferentially on the cylindrical screen face. Switching is provided by pin-diode circuit. Two passive arms operate as reflectors for the active one. As result one of three possible far-field patterns is formed with beamwidth 120°.

I.  Introduction

An idea of dipole antenna with three switched far-field patterns is proposed in our previous paper [1] where the analysis of antenna matching with feeder and detailed investigations of the external characteristics of antenna are absent. These problems are the subject of present paper.

II.  Main part

The antenna under consideration contains cylindrical ground shield, feeding circuit based on microstrip line (MSL), and of three "thin” arms (Fig. 1). The ground shield height is about 0.25X and its diameter provides the distances between arms of about 0.3X. An electric distance along MSL between the feeding circuit centre and feeding arm points, where controlled contactors are installed, is 0.25X. At any time moment two contactors are closed whereas one residuary contactor is opened, so a signal from feeding cable is totally coupled into one arm. The other lengths of MSL don’t affect the transmitting operation mode due to effective no-load conditions at their inputs. Partial far-field pattern is formed as in Yagi antenna where passive arms play role of reflectors. An input impedance of the antenna can be calculated approximately by using the induced electromotive forces method [2]. H-plane patterns one can calculate on the base of superposition principle, supposing sinusoidal current distribution on arms. The model of the antenna fed with 50-ohm coaxial cable is made for 900 MHz operational frequency band (see fig. 1). The controlled contactors are realized with 2A505A pin-diodes. Theoretical and experimental input VSWR frequency dependence and H-plane far-field patterns are shown on Fig. 2, 3. An E-plane far-field pattern defies calculations. The approximate theory gives relative frequency shift form live in limits 5%…6% and more wide matching band. Real working band was about 4%. The calculated and measured H- plane far-field patterns are in good agreement having main beam widths about 120°, but back radiation level (-8 dB) is slightly less than calculated one (-9,6 dB). The typical E-plane far-field pattern is shown in Fig.4. One can see that the main antenna radiation is shifted to lower half-plane. This shift is a favorable fact for base station antennas of mobile communications. Measured gain is about 5 dB.

III.  Conclusion

It is verified that simple in construction antenna with three 120° spatially switched beams can be realized within DMW frequency band. This antenna is recommended for base stations of mobile communication systems.

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