КОАКСИАЛЬНО-КОЛЛИНЕАРНЫЕ ПЕЧАТНЫЕ АНТЕННЫ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ РАЗВЕТВЛЕНИЯМИ В СХЕМЕ ПИТАНИЯ

February 20, 2013 by admin Комментировать »

Мишустин Б. А.

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

Аннотация – Исследуется возможность перехода от трубчатых коаксиально-коллинеарных антенн с последовательными разветвлениями в схеме питания к плоским конструкциям на основе копланарных линий. Приводятся экспериментальные результаты, доказывающие такую возможность.

I.                                       Введение

в настоящее время при создании новых типов антенных устройств для базовых станций и для периферийных пунктов телекоммуникационных радиосистем все большее предпочтение отдается конструктивно простым вариантам, имеющим малую материалоемкость и высокую технологичность. Такими качествами обладают однослойные и многослойные печатные антенны, имеющие плоские излучающие структуры и схемы питания.

В данном докпаде обсуждается возможность создания печатных многоэлементных антенн, схема питания которых содержит последовательные разветвления.

II.                               Основная часть

в наших предыдущих докпадах (см., например, [1]) рассматривались коаксиально-коллинеарные (КОКО) антенны с последовательными разветвлениями в схеме питания, которая расположена внутри трубчатой конструкции.

В трехэлементной КОКО антенне трубчатые элементы разделены узкими кольцевыми щелями. В схеме питания использовано одноступенчатое последовательное разветвление: внутренний проводник коаксиального фидера подключен к стержню с диаметром, равным диаметру внешнего проводника коаксиального фидера, причем разрыв между внешним и внутренним проводниками коаксиального фидера размещен внутри полости среднего элемента на одинаковых расстояниях от кольцевых щелей между элементами. В коаксиале, образованном внешним проводником коаксиального фидера, стержнем и внутренней поверхностью среднего трубчатого элемента, возбуждаются две волны, распространяющиеся к щелям. Так как расстояния от точки возбуждения до щелей одинаковы, эти волны обеспечивают синфазное возбуждение элементов независимо от их длины.

Для КОКО антенн с 2" – 1 элементами требуется п ступеней коаксиального делителя питания, т. е. п коаксиалов, вложенных один в другой.

Преимущества последовательных разветвлений в схеме питания очевидны: это возможность обеспечить синфазное возбуждение элементов излучающих структур при различных длинах элементов, а также возможность размещения элементов схемы питания внутри излучающей структуры. Недостатками КОКО антенн рассмотренного типа являются конструктивная сложность и низкая технологичность.

Повысить технологичность КОКО антенн можно благодаря переходу к плоским структурам, в которых используются как плоские излучающие элементы, так и планарные фидеры, например, копланарная линия.

Для отработки методики проектирования и настройки печатных КОКО антенн была разработана двухэлементная антенна типа плоского вибратора на диэлектрическом основании (рис.1).

Рис. 1. Топология плоской вибраторной антенны. Fig. 1. Flat oscillator antenna topology

Плечи 1 и 2 могут иметь различную длину /-i и /2, соответственно. Плечо 2 состоит из двух половин, соединенных внешним проводником коаксиального кабеля 3, центральный проводник которого соединен со средним проводником 4 копланарной линии, образованной этим проводником и половинами плеча 2. Вырезы 5 имеют глубину около KJ4 (Aj – длина волны с учетом диэлектрика основания) для обеспечения режима эффективного холостого хода на внешнем конце плеча 2. Очевидно, что копланарный «четвертьволновый стакан», в отличие от коаксиального, не обеспечивает перекрытия всего ближнего поля, создаваемого токами на поверхности плеча 2. Однако путем соответствующего выбора размеров вырезов можно попытаться обеспечить достаточный уровень подавления токов на торце плеча 2.

При выборе поперечных размеров структуры мы полагали, что для реализации копланарной линии достаточно иметь ширину внешних проводников, в

3..      .4 раза превосходящую ширину среднего проводника.

Экспериментальный макет первоначально имел различные длины плеч, причем /1 > /2 = λ/4 (λ – длина волны в свободном пространстве). В процессе эксперимента плечо 1 постепенно укорачивалось до значения /1 = /2. Для последнего варианта минимум КСВ составлял 1.2 при относительной полосе по уровню КСВ 2.0 около 12 %, для одного из промежуточных вариантов частотная характеристика КСВ имела вид симметричной двугорбой кривой с относительной полосой по уровню КСВ 2.0 около 20 %. Диаграммы направленности по форме соответствовали диаграммам симметричного вибратора. Уровень кроссполяризации не превышал -12 дБ. Эти данные косвенно подтверждают предположение о практически достаточном подавлении токов, затекающих на внешнюю поверхность внешнего проводника коаксиального кабеля.

При разработке трехэлементной плоской КОКО антенны были использован аналогичный подход (рис. 2).

Рис. 2. Топология трехэлементной печатной КОКО антенны.

Fig. 2. Tiiree-eiement COCO printed antenna topoiogy

Антенна содержит элементы 1,2,3, причем длины крайних элементов одинаковы. Средний проводник 4 первой копланарной линии, возбуждаемый коаксиальным кабелем (на рисунке не показан) переходит в средний проводник второй копланарной линии, вырезы 5 которой играют роль последовательных индуктивностей и предназначены для согласования антенны путем подбора длины с помощью накладных перемычек

Для экспериментального макета относительная полоса рабочих частот по уровню КСВ 2.0 составила около 5 %. Ширина диаграммы направленности в Е- плоскости по уровню 0.5 мощности составила 55°, уровень кроссполяризации не превышал -18 дБ.

III.                                  Заключение

Предложены планарные варианты КОКО антенн, которые технологически могут быть выполнены как печатные структуры благодаря замене коаксиальных фидеров в схеме питания на копланарные линии. Несмотря на отличия в свойствах этих типов фидеров, экспериментально подтверждена возможность создания многоэлементных КОКО антенн на основе печатных структур.

IV.                           Список литературы

[1]   IVIuwycmuH Б. А., Слезкин В. Г., Редькина Е. А. Оптимизация характеристик излучения коаксиальных коллинеар- ных антенн с последовательными делителями питания // 12-я междунар. конф. КрыМиКо’2002. Материалы конференции.- Севастополь, «Вебер», 2002. – С.347-348.

COAXIAL-COLLINEAR PRINTED ANTENNAS WITH SERIAL BRANCHINGS IN FEEDING SCEME

Mishoostin B. A.

Moscow Power Engineering institute Krasnoi<azarmennaya 14, Moscow, 111250, Russia tei. (095) 372-52-42, e-maii: mishustinBA@mpei.ru Slyozkin V. G., Redkina E. A.

Sevastopol National Technical University

Studgorodok, Sevastopol, 99053, Ukraine tei. (0692)23-50-18, e-maii: rt@stei.sebastopoi.ua

Abstract – Possibility to pass from tube-type coaxial- collinear antennas with serial branching in feeding scheme to flat constructions based on coplanar feeders is investigated. Experimental results proved such possibility is presented.

I.                                         Introduction

Nowadays in creation of new types of antenna devices for telecommunication systems basic stations and peripheral points more preference is given to constructively simplest variants, having low material capacity and high manufacturability. These qualities possess one-layer and multi-layer printed antennas with flat radiating structures and feeding schemes.

The report has deal with possibilities to design printed multielement antennas which feeding scheme contains of serial branchings.

II.                                        Main part

Our previous reports (for instance [1]) was dedicated to co- axial-collinear (COCO) antennas having serial branchings in feeding scheme placed into tubular construction.

In three-element COCO antenna tubular elements are separates with narrow circumferential slots. We have used one- staged serial branching: an inner conductor of coaxial feeder is connected to a rod having diameter equal to those of outer conductor of coaxial feeder. A gap between coaxial feeder inner and outer conductors is into the middle element’s cavity on equal distances from circumferential slots. In a coaxial constituted by coaxial feeder’s outer conductor, the rod and inner surface of the middle tubular element there are excited two waves which propagate from the gap to slots. Due to equality of distances between the point of excitation and slots, these waves provide cophasal excitation of the elements regardless of its lengths.

For COCO antennas having 2" – 1 elements is required n stages of coaxial feeding devider, I. e. n coaxials, taken up one to another.

As disadvantages of such type COCO antennas we have constructive complexity and low manufacturability.

In order to raise manufacturability of the COCO antennas one can pass to flat structures used both flat radiating elements and planar feeders like coplanar line.

For the purpose to give a work-out to methods of design and tuning of printed COCO antennas we have developed two- element antenna of flat oscillator type placed on dielectric base (fig. 1).

Arms 1 and 2 may have different length I, и h. Outer conductor of coaxial cable 3 is connected with arm 2 having two parts. Cable inner conductor is connected with central conductor of coplanar line generated with this conductor end parts of arm 2. Cuts 5 have depth near KJ4 (λ^ – wavelength considered dielectric of base) to reach effective current cut on the outer end ofthe arm 2.

Cross dimensions of the structure was selected in assumption that coplanar line can be realized if its outer conductors have width 3…4 times more than that of central conductor.

The beginning experimental model had /i > /2 = λ/4 (λ – free space wavelength), the last model had /1 = /2 (cutted was arm

1)   .         For the last model there was relative frequency band 12 % (VSWR level 2.0) and band 20 % have provided intermediate model. Patterns forms was practically the same as that of symmetric oscillator. Cross polarization level was not more than – 12dB.

Similar approach was used in three-element flat COCO (fig.

2)   .         Elements 1 and 3 had equal lengths. Central conductor 4 of the first coplanar line turns into central conductor of the second coplanar line. Cuts 5 performs serial inductivities [2] that are used for antenna matching.

The experimental model have provided relative frequency band about 5 %. E-plane pattern beamwidth was about 55°. Cross polarization level was not more than -18 dB.

III.                                       Conclusion

Planar variants of COCO antennas can be manufactured as printed structures due to replacement of coaxial feeders with coplanar lines. In spite of differences in qualities of these types of feeders we have experimentally confirmed a possibility to create multi-element COCO antennas based on printed structures.

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