ВЛИЯНИЕ ЭКРАНА ОГРАНИЧЕННЫХ РАЗМЕРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ

February 6, 2013 by admin Комментировать »

Аннотация – Исследуются основные характеристики рамочной антенны, расположенной на круглом экране ограниченных размеров. Проводится сравнение импедансных и полевых характеристик рамочных антенн в свободном пространстве и при размещении их на экране, выполненное в различных пакетах электродинамического моделирования. Получены предельные соотношения для характеристики согласования рамочной антенны с помощью не диссипативной цепи связи. Выполнена оценка взаимного влияния нескольких рамок, расположенных под углом друг к другу. Приводятся результаты экспериментальных исследований рамочной антенны.

I.                                       Введение

Системы из рамочных антенн широко используются в устройствах пеленгования в диапазоне от метровых до дециметровых волн [1, 2]. В этих устройствах используются проводящие экраны конечных размеров для уменьшения взаимной связи между антеннами различных поддиапазонов. Наличие несимметричного экрана существенно изменяет им- педансные и полевые характеристики как одиночной рамки, так и системы рамочных антенн по сравнению со случаем их размещения в свободном пространстве. Изменения формы диаграммы направленности и ее поляризационных свойств приводят к появлению ошибок пеленгования, а изменения импедансных характеристик – к уменьшению полосы рабочих частот антенны.

Особенно эти изменения проявляются при работе антенны в широком диапазоне частот с перекрытием по частоте К = fe/fH = 2+5, что объясняется необходимостью пеленгования широкополосных сигналов, требованиями уменьшения габаритов антенной части пеленгатора и типоразмеров используемых рамок.

В этой связи, в настоящей работе изучаются им- педансные и полевые характеристики прямоугольной рамочной антенны, расположенной на круглом проводящем экране с близким к полуволновому размеру диаметром и приводятся сравнение этих характеристик с характеристиками одиночной рамки в свободном пространстве.

II.                              Основная часть

Для формирования математической модели рамочной антенны и проверки ее достоверности было выполнено моделирование одиночной рамочной антенны на проводящем экране и в свободном пространстве в диапазоне 100-500 МГц в трех пакетах электродинамического моделирования: Ansoft HFSS, SuperNEC, Microwave Studio. Размеры рамки при моделировании были выбраны равными150х75х10х1,7 мм®, размеры экрана составляли 0350×2 мм^. Схематическое изображение модели одиночной рамочной антенны на экране в различных пакетах показано на рис.1.

Одна из сторон прямоугольной рамки была расположена на экране, а возбуждение антенны осуществлялось симметричным портом на верхней стороне рамки.

Рис. 1. Схема моделирования рамочной антенны.

Бабушкина О. А., Белодед В. И., Головков А. А., Мамруков А. В., Пивоваров И. Ю. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ) ул. Проф. Попова, г. Санкт-Петербург, Россия, 197378 тел.: 812-3464516, e-mail: Iab16@vilan.spb.ru

Fig. 1. Schematic of coil antenna modeling

Для проверки достоверности полученных результатов с помощью анализатора цепей НР8720В было выполнено измерение входного сопротивления экспериментального образца антенны, расположенной на экране диаметром 350 мм.

Экспериментальные и полученные в результате моделирования в различных пакетах частотные зависимости входного импеданса прямоугольной рамки на экране конечных размеров показаны на рис.2.

Рис. 2. Частотные зависимости входного

импеданса прямоугольной рамочной антенны на круглом экране.

Fig. 2. Frequency dependencies of input impedance for rectangular coil antenna on circular ground plane

Из приведенных результатов моделирования, полученных с помощью пакетов Ansoft HFSS, SuperNEC и Microwave Studio видно, что их совпадение друг с другом, а также с экспериментом достаточно хорошее, что свидетельствует о достоверности полученных результатов. Существенные отличия результатов наблюдаются только на низких частотах. Это объясняется проблемами, возникающими при моделировании электрически коротких антенн, особенно в пакете Ansoft HFSS.

Аналогичное моделирование было выполнено для этой же рамочной антенны в свободном пространстве. В этом случае резонансная частота рамки составляла примерно 250 МГц, а вещественная часть входного импеданса на резонансной частоте была равна 3.5

кОм, т.е. примерно в два раза ниже, чем у рамки, расположенной на экране. Мнимые составляющие входного импеданса рамочных антенн в свободном пространстве и над экраном были одного порядка.

Диаграммы направленности рамочной антенны на проводящем экране также заметно отличаются от соответствующих диаграмм направленности рамки в свободном пространстве, как по форме и уровню, так и по поляризационным характеристикам. Эти результаты позволяют оценить влияние проводящего экрана на характеристики пеленгатора на основе системы рамочных антенн.

Результаты моделирования рамочной антенны в режиме передачи позволили сформировать электрическую модель (эквивалентную электрическую схему) антенны в этом режиме работы в виде параллельного L-C-R контура, для определения предельных характеристик согласования в полосе частот. На основе теории согласования комплексных сопротивлений с возбуждающим генератором было получено соотношение, определяющее минимальное значение модуля коэффициента отражения |S| в зависимости от элементов электрической модели антенны в виде:

где–      добротность    конденса

тора в рабочей полосе частот согласующей цепи Ыв- ω„,, ωρ – резонансная частота рамочной антенны, ωο

–   центральная частота рабочего диапазона.

Полученные предельные соотношения позволяют грамотно выполнить проектирование согласующей цепи.

Электрическая модель рамочной антенны в режиме передачи позволила разработать модель рамки в режиме приема. Амплитуды напряжения генератора эквивалентной ЭДС принятого сигнала на различных частотах были получены в пакетах программ Microwave Studio, Ansoft HFSS при облучении рамки плоской волной с заданными амплитудой, направлениями падения и поляризацией электрического поля. ЭДС соответствует напряжению на зажимах рамки в режиме холостого хода. В результате моделирования была получена частотная зависимость ЭДС эквивалентного генератора принятого рамкой сигнала, при облучении антенны полем плоской волны амплитудой 1 Вольт/метр. Эти результаты позволяют определить чувствительность активных рамочных антенн.

В работе было также выполнено моделирование системы рамочных антенн на экране ограниченных размеров и были получены характеристики пеленгатора на основе таких антенн.

III.                                  Заключение

Показано, что наличие проводящего экрана конечных размеров существенно влияет на импедансные и полевые характеристики рамочных антенн, приводит к изменению резонансной частоты рамки и вещественной части ее импеданса почти в два раза. Эти явления необходимо учитывать при проектировании пеленгаторов, использующих системы из таких антенн.

[1] Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. – IVI.: Энергия, 1975, 526 с.

[2] Ашихмин А. В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. – М.: Радио и связь, 2005, 486 с.

EFFECT OF GROUND PLANE WITH CONFINED DIMENDIONS ON COIL ANTENNA PERFORMANCE

Babushkina O. A., Bilodid V. I., Golovkov A. A., Mamrukov A. V., Pivovarov I. U.

Electrotechnical University (LETI) St.-Petersburg, 197376, Russia

phone: 812-3464516, e-mail: Iab16@vilan.spb.ru

Abstract – Principal characteristics of coil antenna located on circular ground plane with confined dimensions are investigated. Ultimate relationships for matching characteristic Sn of coil antenna are obtained using non-dissipative coupling networks. Estimation of mutual coupling of several coil antennas arranged at a certain angle is performed.

I.                                         Introduction

Systems of coil antennas are widely used in location finding devices within meter to decimeter wavelength frequency band [1-2]. These devices utilize conductive ground planes with confined dimensions to decrease mutual coupling of antennas operating within different frequency bands. Asymmetric ground plane essentially changes impedance and field performance of both single coil and the system of coil antennas compared with their arrangement in free space.

Variations of far field pattern shape and polarization properties lead to the errors in location finding, whereas variations of impedance characteristics cause decrease of operation frequency band of antenna.

Particularly these variations become apparent in wide frequency band operation of antenna with frequency covering about К = fe/fH = 2-^5, and it is explained by necessity of location finding wideband waveforms, by requirements to decrease both the size of antenna part in location finder and of types and size of coils used.

II.                                        Main Part

To make mathematical model of the single coil antenna on conducting ground plane and in free space within frequency band 100-500 MHz and to check model reliability the electromagnetic modeling was made using Ansoft HFSS, SuperNEC, Microwave Studio software programs.

Using the theory of matching for complex impedances with that of feeding oscillator the relationship is obtained for minimum value of reflection loss |S« |as a function of electric antenna model components.

On the basis of electric transmit mode model of coil antenna the receive mode model also was made.

System of coil antennas and characteristics of location finder based on this antenna system are also obtained and analyzed in the paper.

III.                                       Conclusion

It is shown, that conducting ground plane with finite size essentially affects the impedance and field characteristics of coil antennas and this leads to variation of resonant frequency and real part of impedance almost by a factor of two. These phenomena should be taken into account in design the location finders with systems of coil antennas.

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