ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ плоского ШИРОКОПОЛОСНОГО ВИБРАТОРА НА ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ СОГЛАСОВАНИЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ

January 26, 2013 by admin Комментировать »

Аннотация – Приведены результаты численного исследования методом FDTD влияния формы широкополосного планарного вибратора типа bow-tie на его характеристики согласования и излучения. Установлено, что наилучшие характеристики имеет плоский вибратор колоколообразной формы.

I.                                       Введение

Стремительный лрогресс в лоследние годы в создании радиосистем, в которых ислользуются UWB-сигналы (чему слособствовало разрешение в 2002 г. Федеральной комиссии США ло Телекоммуникациям на широкое ислользование диапазона частот 3100-10600 1\/1Гц), обусловил потребность в малогабаритных простых антеннах с перекрытием по частоте не менее 3:1. Поставленным условиям удовлетворяет диполь с плечами треугольной формы, больше известный в литературе как антенна типа «бабочки» или bow-tie antenna.

Первое всесторонне исследование bow-tie антенны [1] показало существенную зависимость ее характеристик от угла раскрыва антенны Θ и необходимость запитки антенны фидером с большим волновым сопротивлением. Расширение рабочей полосы частот с помощью резистивной [2] и емкостной [3] нагрузки существенно усложняет антенну. Улучшить характеристики стало возможным при изменении профиля антенны. Среди известных модификаций следует отметить bow-tie с обрезанными углами [4] и bow-tie с ребрами, профилированными по эллиптическому закону [5], в которых достигнута рабочая полоса 90 %.

II.                              Основная часть

Характеристики bow-tie антенны, такие как входное сопротивление и коэффициент усиления антенны, сильно зависят от формы антенны. Поскольку ток главным образом сосредоточен возле боковых ребер bow-tie антенны, то можно ожидать, что форма боковой поверхности имеет наибольшее влияние на характеристики согласования антенны. Вместе с тем, можно ожидать слабой зависимости характеристик такой антенны от формы ее торца, где ток незначительный.

|/1сследования проводились с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD), который позволяет получить частотные зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления антенны, а также распределение тока в антенне и диаграммы направленности на любых частотах (в рабочей полосе частот) при проведении лишь одного расчета, что является очень удобным при анализе широкополосной антенны. При использовании разбиения с шагом сетки λ/25, что является компромиссом между скоростью и точностью вычислений, результаты численных и экспериментальных исследований обычной bow-tie антенны совпадают очень хорошо.

Поскольку в [6] отмечалось, что bow-tie антенна с углом раскрыва Θ 45° имеет наибольшую рабочую по

Рис. 1. Профили bow-tie антенны: 1-линейний, 2- логарифмический, 3-экспоненциальный, 4- колоколообразный.

Дубровка Ф. Ф., Василенко Д. А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, 37, г. Киев, 03056, Украина тел.: 044-2747989, e-mail: vddimon@yandex.ru

Fig. 1. Profiles of bow-tie antenna:

1                 – linear, 2 – logarithmic, 3 – exponential,

4 – bell-shaped

l/l3 анализа физических процессов, протекающих в антеннах с различными профилями (рис.1), и результатов расчетов можно заключить, что ключевую роль для согласования имеет форма антенны в точке питания. Так, экспоненциальный профиль создает в точке питания очень острый угол, что приближает антенну с таким профилем к классическому диполю, а, следовательно, характеристики активного и реактивного сопротивлений имеют ярко выраженные резонансы.

Логарифмический профиль, наоборот, создает в точке питания достаточно широкую базу с плавным переходом к боковой поверхности антенны, что вместе с увеличением пути протекания тока по боковой поверхности приводит к значительному уменьшению реактивного сопротивления в нижней части рабочей полосы частот антенны и уменьшает среднее значение активной составляющей входного сопротивления при одновременном выравнивании относительного уровня резонансных максимумов. Это позволяет согласовать антенну при питании фидером с волновым

сопротивлением 100 Ом при отношении

где L – длина плеча вибратора, λ – длина волны

н

на нижней частоте рабочей полосы частот, которая удовлетворяет условиям КСВН<2 (для сравнения, при линейном профиле такое согласование обеспечивается при фидере с волновым сопротивлением

200 Ом при отношении[6]).           Следует

заметить, что широкая база в точке питания без обеспечения плавного перехода к боковой поверхности антенны обеспечивает равномерное уменьшение активной составляющей входного сопротивления и сохраняет относительно большой уровень первого резонанса, что, безусловно, усложняет согласование такой антенны.

Учитывая важность геометрии антенны в точке питания, интересным представлялось исследование колоколообразного профиля антенны, который обеспечивает большую ширину вибратора в точке питания, а в дальнейшем напоминает логарифмический профиль. Оказалось, что колоколообразный профиль обеспечивает наиболее низкий уровень реактивной составляющей входного сопротивления из всех исследуемых профилей, что вместе со значительно меньшим по сравнению с линейным профилем активным сопротивлением обеспечивает возможность согласования антенны при значении волновогосопротивления фидера 75 Ом с отношением

Колоколообразный, как и логарифмический, профиль обеспечивают немного больший коэффициент направленного действия (КНД) в пределах рабочей полосы частот, что может быть объяснено большей площадью диполя, чем в случае линейного профиля. Однако КНД начинает спадать при более низких частотах. Это, очевидно, связано с тем, что обеспечение широкой базы в точке питания увеличивает путь протекания тока, и, как следствие, приводит к более быстрому появлению противофазных участков. Улучшить ситуацию возможно, если уменьшить поперечный размер антенны. Так, для колоколообразного профиля с геометрическими размерами 2Lχ^.6L

значение отношения, где λ – длина

В

волны на верхней частоте рабочей полосы частот. Это значение определяется условием КНД>2, поскольку в дальнейшем диаграмма направленности приобретает ярко выраженную тригорбость. Оно соответствуетдля        линейного            профиля.              В                                                        этом

случае антенна обеспечивает перекрытие 3,9: 1.

Для случая рассмотренных выше профилей боковой стороны плеча антенны проводилось исследование разнообразных профилей торцевого конца антенны (круглый, эллиптический, синусообразный), длина плеча вибратора увеличивалась на величину дополнения. При этом характер изменения входного сопротивления и КНД в функции от частоты остался фактически неизменным. Однако, благодаря увеличению продольного размера антенны уменьшается нижняя рабочая частота, сохраняя перекрытие по частоте почти без изменений. Следует также заметить, что отход от плоского профиля торца антенны приводит к менее эффективному использованию геометрических размеров антенны, поскольку нижняя рабочая частота возрастает медленнее, чем увеличивается длина плеча вибратора.

III.                                  Заключение

Путем подбора профиля боковой стороны плоского вибратора и расширения базы антенны в точке питания можно уменьшить волновое сопротивление питающего фидера, при котором обеспечивается удовлетворительное согласование.

Наилучшие характеристики согласования и излучения обеспечивает колоколообразный профиль: отношение длины плеча такого вибратора к длине волны на нижней рабочей частоте равно 0,165; коэффициент перекрытия по частоте составляет 3,9:1 при КСВН<2 и волновом сопротивлении фидера 75 Ом.

IV.                           Список литературы

[1]  Brown G. Н., Woodward О. М. Experimentally determined radiation characteristics of conical and triangular antennas 11 RCA Review. – 1952. – Vol.13. – P. 425-452.

[2]  KurtL. Shlager, Glenn S. Smith, James G. Maloney. Optimization of bow-tie antennas for pulse Radiation if IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 1994. – Vol.42. – № 7. – P. 975-982.

[3]  Andrian Andaya Lestarl, Alexander G. Yarovoy, Leo P. Lig- thart. RC-loaded bow-tie antenna for improved pulse radiation if IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2004. – Vol.52. – № 10. – P. 2555-2563.

2004.  KatsukI KImlnamI, Akimasa HIrata, ToshlyukI Shlozaw. Dou- ble-Sided Printed Bow-Tie Antenna for UWB Communications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. -Vol.3.-№.-P. 152-153.

[4]  AbdelnasserA. Eldek, AfefZ. ElsherbenI, Charles E. Smith. Microstrip-Fed Printed Lotus Antenna For Wdeband Wireless Communication Systems// IEEE Antennas and Propagation Magazine.-2004.-Vol.46. – № .6. – P. 164-173.

[5]  Широкосмугова планарна дипольна антена // Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006, 17-22 апреля, 2006г., Севастополь, Крым, Украина. – С. 71.

INFLUENCE OF PROFILE OF BOW-TIE ANTENNA ON ITS INPUT IMPEDANCE AND GAIN

Dubrovka F. F., Vasylenko D. A.

National Technical University of Ukraine »KPi» 37Pobedi Ave., Kyiv, 03056, Ukraine Ph.: 044-2747989, e-maii: vddimon@yandex.ru

Abstract – Results of the numerical investigation of influence of profile of ultra wideband dipole on the input impedance and radiation patterns are described. Numerical results have been obtained by using Finite Difference Time Domain Method.

I.                                         Introduction

Since 2002 much attention has been paid to commercial ultra wide band (UWB) systems. It is of a particular interest to design a compact antenna with good impedance matching characteristics over the whole UWB frequency range (3.1-10.6 GHz). Also, gain flatness and phase linearity are required for UWB antennas to suppress distortion of waveforms. Bow-tie antennas are one of the promising candidates for UWB applications. However, the bandwidth of conventional printed bow-tie antennas is not yet sufficient to cover the UWB frequency band [5,6]

II.                                        Main Part

Bow-tie antenna with flare angle 0=45° has been chosen as a basis for the numerical investigation. Exponential profile gives characteristics very similar to normal dipole and is very narrowband. A wide base of a bell-shaped and logarithmic dipole helps to achieve a wider matching bandwidth. A «bell»- profile in comparison with linear profile lengthens the current path and reduces the resonance frequency. It helps to achieve electrical size at fj_ in terms of wavelengths 0.165. Furthermore a bell-shaped dipole has higher gain than linear profile.

III.                                       Conclusion

It is shown that by varying of the profile of ultra wideband dipole good matching with 75Q-feeder can be obtained. The best characteristics have shown the bell-shaped dipole. It provides 118 % impedance bandwidth that covers the entire UWB band.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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