ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМИ ДИАГРАММАМИ НАПРАВЛЕННОСТИ

July 16, 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 исследования несимметричной вибраторной антенны, содержащей три «тонких» плеча, расположенных по окружности на торце цилиндра. Схема питания обеспечивает переключение сигнала на одно плечо при коротком замыкании остальных, в результате чего формируется одна из трех возможных диаграмм направленности.

I.       Введение

В настоящее время для стационарных пунктов мобильных систем связи все чаще используют антенны с несколькими переключаемыми диаграммами направленности, так называемые «умные» антенны. Ниже предлагается простая по конструкции антенна с тремя диаграммами направленности, реализованная на принципе директорной антенны.

Известные несимметричные вибраторные антенны с коаксиальным питанием (см., например, [1]) содержат активное плечо, возбуждаемое центральным проводником коаксиального фидера, и пассивное плечо в виде полого цилиндра с одним открытым концом, к которому подключен внешний проводник фидера, причем фидер пропущен через полость пассивного плеча. Длины плеч обычно составляют около четверти длины волны, а диаметры плеч могут быть разными. При увеличении диаметра пассивного плеча до величин, соизмеримых с длиной волны, появляется конструктивная возможность на его торце разместить несколько плеч так, чтобы при возбуждении одного плеча остальные играли роль пассивных рефлекторов, тогда будет сформирована диаграмма направленности с максимумом в одном направлении. Путем переключений в схеме питания направление луча можно скачкообразно изменять.

II.     Основная часть

Пусть в антенне с коаксиальным питанием (рис.1) длины плеч L одинаковы и близки к четверти длины волны X, а радиусы активного плеча аа и пассивного ар различны. При близких значениях радиусов, много меньших длины волны, входное сопротивление, как известно, будет около 75 Ом. Внешний проводник коаксиального фидера и внутренняя поверхность пассивного плеча образуют отрезок коаксиальной линии длиной

0.       25 X, препятствующий затеканию токов на внешний проводник фидера.

Рис. 1. Схема исходной антенны Fig. 1. The basic antenna schematic diagram

Если увеличить радиус пассивного плеча ар до значений 0.1Х и более, то известные частотные зависимости входного сопротивления теряют достоверность. Качественно же можно заметить, что ситуация приближается к случаю несимметричного вибратора над экраном, входное сопротивление которого в два раза меньше, чем симметричного вибратора. Поскольку здесь экран имеет форму ограниченного цилиндра, снижение сопротивления должно быть в меньшем отношении, т.е. четвертьволновый несимметричный вибратор рассмотренного вида должен быть удовлетворительно согласован с 50омным фидером.

В рамках данного представления можно утверждать, что входное сопротивление антенны существенно не изменится, если активное плечо сместить к краю основания пассивного плеча. При достаточно большом радиусе пассивного плеча 1 можно у его края разместить три плеча 2,3,4, соблюдая осевую симметрию (рис.2).

Возбуждение к плечам подводится через параллельную схему 5, выполненную, например, на микрополосковой линии. К схеме, содержащей управляемые замыкатели в точках подключения плеч, возбуждение подводится коаксиальным фидером в ее центре.

Рис. 2. Схема предлагаемой антенны (вид сверху)

Fig. 2. The proposed antenna schematic diagram (upper view)

Пусть поперечные размеры выбраны так, что электрическое расстояние между центром структуры и точками подключения плеч равно 0.25Х, а расстояние между осями плеч лежит в пределах 0,15>_________________________________ О.ЗЯ,,

как в директорных антеннах. Если в данный момент времени два замыкателя находятся в состоянии «замкнуто», то на входах соответствующих отрезков реализуется режим холостого хода: весь сигнал передается к точке подключения одного активного плеча. Активное плечо излучает электромагнитную волну, которая распространяется во всех направлениях. Поскольку расстояния до пассивных в данный момент плеч и их длины выбраны определенным образом, переизлученные этими плечами волны, складываясь в пространстве с первичной волной, реализуют диаграмму направленности с одним главным лучом в направлении активного плеча. Ясно, что делая активным попеременно остальные плечи, мы получим возможность направлять главный луч в два других положения.

Роль пассивного плеча в формировании диаграммы направленности трудно проанализировать из-за сложной картины распределения токов по несимметрично возбужденному цилиндру. Качественно можно отметить, что волны токов, обтекающие цилиндр от точки возбуждения, приобретают по мере распространения фазовые сдвиги, близкие к фазовым сдвигам в электромагнитных волнах. Следовательно, принципиально форма диаграмма направленности из-за влияния пассивного плеча не должна резко измениться, но нарушение симметрии в Еплоскости может наблюдаться.

С целью проверки возможности реализовать предложенную антенну был выполнен макет для диапазона 900 МГц, возбуждаемый 50-омным коаксиальным кабелем. Схема возбуждения была выполнена на основе микрополосковой линии, в качестве материала линии был взят фольгированный высокочастотный диэлектрик с диэлектрической проницаемостью, равной 5. Управляемые замыкатели реализованы на pin-диодах типа 2А505А.

Предварительные экспериментальные данные по входному сопротивлению антенны показали, что приведенные выше качественные оценки не вполне согласуются с реальной картиной, по-видимому, из-за значительных сопротивлений, вносимых пассивными плечами. На данном этапе исследований задача согласования антенны с фидером не ставилась.

Диаграммы направленности в Н-плоскости имели выраженные максимумы в ожидавшихся направлениях. Ширина главных лепестков по уровню 3 дБ составила 130°… 150°, уровень бокового и заднего излучения составил -10-12 дБ. Диаграммы направленности в Е-плоскости имели существенную несимметрию: полуширина в направлении к торцам активных плеч составила около 30°, а в противоположном направлении

–    около 50°. В отдельных направлениях уровень бокового излучения достигал -8 дБ.

III.       Заключение

Схема предлагаемой антенны построена на принципах несимметричной вибраторной антенны с коаксиальным возбуждением и директорной антенны. Антенна содержит пассивное плечо электрически большого диаметра, три попеременно активных плеча малого диаметра и схему возбуждения с управляемыми замыкателями, которые в каждый момент времени обеспечивают короткое замыкание в точках подключения двух плеч. Благодаря тому, что электрическое расстояние от этих точек до точки подключения кабеля составляет 0.25Х, весь сигнал направляется в одно активное плечо. При определенном выборе основных размеров антенна может формировать попеременно три диаграммы направленности.

Экспериментальные исследования, которые выполнялись в ДМВ диапазоне, подтвердили принципиальную возможность реализации предложенной антенны. Важно отметить, что при естественном расположении антенны «пассивным плечом вниз» поляризация излучения будет вертикальной, а диаграмма направленности имеет «прижатый» к земле характер. Таким образом, данную антенну после оптимизации, которая является задачей дальнейших исследований, можно будет рекомендовать к применению в мобильных системах связи.

IV.     Список литературы

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

THE NON-SYMMETRICAL OSCILLATOR ANTENNA WITH SWITCHED PATTERNS

Slyozkin V. G., Yevenko V. V.

Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sevastopol 99053, Ukraine tel. (0692)23-50-18 E-mail: rt. sevgtutcb.stel. sebastopol. ua

Abstract The results of study the non-symmetrical oscillator antenna consisting of three “thin” arms located circumferentially on the cylinder end surface are presented. Feeding circuit provides switching of the signal to one arm whereas all the other ones are short-circuited resulting in formation one of three possible far field patterns.

I.  Introduction

Geometry ofthe known radiating structures is based on the principles ofthe non-symmetrical oscillator antenna with coaxial feeding and the director antenna as well (see, for example [1 ]).

II.  Main part

The basic antenna schematic diagram is shown in fig.1. And in general case the lengths L of the active and passive arms are the same, being about 0.25 X, where X is the wavelength, and radii aa and ap are different. As known the input impedance will be about 75 Ohms provided the values of the radii aa and ap are close to each other, being both less then X. If value of ap approaches the 0.1 X value and more, the passive arm operates as a cylindrical screen. The input impedance for the infinitely flat screen is decreased twice, therefore this decrease will be less significant for the finite screen. The suggested antenna schematic diagram (upper view) is shown in fig.2, where 1-passive arm, 2,3,4-active arms of the smaller diameter, 5-exciting circuit. There are controlled contactors located at the connection points of the active arms. Let the cross-section areas are chosen so that the electrical distance between the structure center and arm connection points is equal to 0.25X, while the distance between arm axes is about

0.                  15Х…0.3Х (as for the director antennas). If two contactors are closed at the given moment to realize short circuit conditions then inputs ofthe corresponding feeding line parts will be under no-load conditions, so the whole signal will be transmitted to connection point of one active arm. The active arm starts radiation the electromagnetic wave spreading in all directions. As the distances to the arms being passive at the given moment are chosen by appropriate manner, waves re-radiated by these arms are added to the primary wave to form a pattern with one beam directed along active arm. It is obviously that we will be able to direct the main beam to other two positions by alternately making all the other arms active. The model of the antenna with 50-0hm’s coaxial cable was made for 900 MHz frequency band. The exciting circuit was based on microstrip line, whereas a line material used is a foiled high-frequency dielectric FLAN with permittivity equaled to 5. The controlled contractors were realized on 2A505A pin-diodes. The preliminary experimental data on input antenna impedance did not completely agree with predicted ones. The possible reason is considered to be an effect of passive arms secondary radiation. The problem of good matching the antenna input was not considered in the present research. The H-plane far field antenna patterns had the pronounced main beams just along the expected directions and had 3 dB width of about 130°…150°, while the sidelobe and back radiation levels were about -10…12 dB. The E-plane far field patterns were significantly asymmetric: a pattern half-width along to the ends ofthe active arms was about 30°, whereas that along the opposite direction was about 50°. In some directions sidelobe level reached 8 dB.

III.  Conclusion

It was proved in the paper, that constructively simple oscillator antenna with three switched patterns can be realized. After optimization being performed further the antenna proposed will be recommended for mobile communication systems.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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