автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Минимизация конструктивных параметров логопериодических вибраторных антенн

Основные сокращения и обозначения.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор теории логопериодических вибраторных антенн.

1.1. Анализ состояния вопроса по логопериодическим вибраторным антеннам.

1.2. Обсуждение методов расчета электродинамических характеристик логопериодичЬских вибраторных антенн.

1.3. Анализ методов уменьшения габаритов логопериодических вибраторных антенн.

Глава 2. Теоретические и экспериментальные результаты по симметричным и несимметричным логопериодических, логодиректорным, (вухчастотным вибраторным антеннам с полосковой линией штания.

2.1. Логопериодические вибраторные антенны с полосковой линией питания.

2.2. Особенности работы логопериодических вибраторных антенн в относительно узкой полосе частот.

2.3. Анализ несимметричных логопериодических вибраторных антенн.

2.4. Анализ логодиректорных антенн.

2.5. Анализ двухчастотных логопериодических антенн.

Глава 3. Анализ логопериодических вибраторных антенн с кусочноинейными вибраторами.

3.1. Постановка задачи об определении электродинамических характеристик логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами.

3.2. Решение задачи о нахождении распределения токов логопериодических вибраторных антенн с кусочно-линейными вибраторами.

Глава 4. Теоретический анализ и экспериментальные результаты для логопериодических вибраторных антенн с V, Г, Т - вибраторами и вибраторами произвольной конфигурации.

4.1. Логопериодические вибраторные антенны с V-вибраторами.

4.2. Логопериодические вибраторные антенны с Г-вибраторами.

4.3. Логопериодические вибраторные антенны с вибраторами произвольной конфигурации.

4.4. Логопериодические вибраторные антенны с Т-вибраторами.

Глава 5, Программа проектирования логопериодических вибраторных антенн.

5.1. Разработка алгоритма программы для проектирования логопериодических вибраторных антенн.

5.2. Описание пакета программ для проектирования логопериодических вибраторных антенн.

Актуальность темы. Современные системы связи и телекоммуникации в настоящее время интенсивно осваивают свободные участки дециметрового диапазона и НЧ область сантиметрового диапазона. Повышенный интерес к этим диапазонам вполне объясним, так как, с одной стороны, они обладают достаточно большой информационной емкостью, а с другой - ограниченный практически пределами прямой видимости радиус действия этих систем позволяет многократно использовать одни и те же частоты в соседних районах.

Рабочий диапазон частот конкретных систем обычно небольшой (порядка 10 - 15%), но иногда системы и устройства дуплексной связи работают на сильно разнесённых частотах (отношение частот приёма и передачи может доходить до 1,5 и более).

Во многих случаях характеристики этих систем могут быть существенно улучшены за счёт использования направленных антенн с коэффициентом усиления порядка 8-12дБ, стандартным входным сопротивлением 500м и хорошим согласованием во всей рабочей полосе частот (коэффициент стоячей волны (КСВ) меньше 1,5). При этом весьма желательно, чтобы антенны имели минимальные габариты и вес, высокую механическую прочность, хорошую технологичность и небольшую стоимость. На основе таких антенн можно создавать антенные решётки различных модификаций, как для увеличения направленнрсти, так и-для формирования заданных диаграмм направленности (например, базовые антенны сотовой связи).

Для решения таких задач в настоящее время обычно используются антенны Уда-Яги и коллинеарные антенные решётки. Иногда встречаются логопериодические вибраторные антенны (ЛПВА) в классическом исполнении, зигзагообразные антенны типа «двойной квадрат», решетки из рамочных элементов или различные модификации перечисленных типов антенн.

В то же время антенны, особенно широкополосные, обладают значительными габаритами и весом.

На основании вышеизложенного можно утверждать, что исследование и разработка полностью или частично печатных ЛПВА для современных средств связи и телекоммуникаций является в настоящее время актуальной инженерной задачей.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка широкополосных антенн уменьшенных размеров. В качестве исходной антенны наиболее удобно взять классическую логопериодинескую вибраторную антенну. Уменьшения габаритов можно добиться за счет использования двухпроводной полосковой линии питания и укорочения вибраторов. Логопериодические вибраторные антенны в печатном исполнении позволяют использовать эти два способа и получить дополнительное уменьшение габаритов за счет влияния диэлектрика.

Основной целью исследований является создание алгоритмов и программ расчета широкополосных антенн уменьшенных размеров и разработка действующих макетов для различных практических применений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана новая методика расчета ЛПВА с симметричными кусочно-линейными вибраторами, расположенными под углом друг к другу.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе состоит в следующем:

-разработаны действующие макеты антенн,

-приведены рекомендации, позволяющие избежать ошибок при проектировании ЛПВА,

-разработана программа для проектирования ЛПВА, как с линейными вибраторами, так и с кусочно-линейными.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в ВНИИ "Градиент" (г. Ростов), что подтверждено соответствующими документами.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными результатами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских конференциях и конференциях с международным участием:

• Третья международная конференция «Теория и техника антенн», Севастополь, Украина, 1999;

• Всероссийская конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог, ТРТУ, 1999;

• Всероссийская научно-техническая конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», Таганрог, ТРТУ, 2001;

• межвузовская конференция РВИРВ, Ростов-на-Дону, 1-998;

• научно-практические конференции профессорско-преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета 1996-2000 годов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ [53-58,67,73-75].

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Методика анализа вибраторных антенн осевого излучения (ЛГ1ВА, антенны Уда-Яги, вибраторных антенн бегущей волны) на основе кусочно-линейной аппроксимации вибраторов произвольной формы.

1.1 Методика анализа вибраторных антенн с V-вибраторами.

1.2 Методика анализа вибраторных антенн с Г-вибраторами.

2. Теоретически и экспериментально показанная возможность уменьшения габаритов ЛПВА (по сравнению с другими антеннами осевого излучения) без ухудшения основных электродинамических характеристик ЛПВА.

3. Результаты влияния диэлектрика на параметры ЛПВА, состоящие в том, что стандартный диэлектрик полосковой линии уменьшает коэффициент усиления антенны приблизительно на 1 дБ; с ростом s растет перекрытие антенны по частоте и увеличивается фазовая скорость обратной волны антенны.

4. Особенности применения ЛПВА для работы в относительно узкой полосе частот, состоящие в том, что

ЛПВА приблизительно в 1,6 раза короче антенны Уда-Яги, при одинаковой полосе пропускания антенн и одинаковом КНД; аномалии, выражающиеся в появлении провалов и выбросов на частотных характеристиках коэффициента усиления и коэффициента стоячей волны, появляющиеся при волновом сопротивлении питающей линии меньше 90 Ом; длину самого длинного вибратора ЛПВА возможно выбирать меньше четверти длины волны нижней частоты рабочего диапазона.

5. Пакет программ для проектирования ЛПВА и Уда-Яги.

Диссертационная работа состоит из введения, 5' глав, заключения и приложения.

Заключение

В результате проведенного исследования свойств ЛПВА и некоторых методов уменьшения их габаритов можно сделать следующие рекомендации для проектировщиков таких антенн.

1. Для согласования ЛПВА со стандартным коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 или 50 Ом питающая линия должна иметь приблизительно равное волновое сопротивление, получающееся наиболее просто при применении в качестве питающей ППЛ, которая еще и увеличивает механическую прочность антенны и уменьшает влияние на ее характеристики атмосферных осадков. Применение ППЛ уменьшает толщину антенны до величины порядка 2-х диаметров вибраторов плюс толщина диэлектрика.

2. ЛПВА с КУ<11дБ можно использовать для связи вместо широко распространенной антенны Уда-Яги, что позволяет значительно уменьшить длину антенны, упростить подключение ее к несимметричному фидеру и уменьшить трудоемкость настройки после изготовления.

3. Длину самого длинного вибратора в ЛПВА следует, в зависимости от ширины рабочей полосы частот, выбирать меньше 1А наибольшей длины волны рабочей полосы антенны, что позволяет уменьшить размер антенны, определяемый длиной вибраторов.

4. При работе ЛПВА в относительно узкой полосе частот Кп<2 параметр т в значительной мере (прямо пропорционально) влияет на верхнюю рабочую частоту антенны и средний КУ в полосе частот, параметр а влияет на положение рабочей полосы антенны на частотной оси (с увеличением а рабочая полоса частот антенны уходит в более высокочастотную область); длина короткозамкнутого отрезка ППЛ влияет на нижнюю рабочую частоту антенны; подбор волнового сопротивления ППЛ позволяет получать требуемую полосу частот при меньших габаритах антенны.

5. При волновом сопротивлении ППЛ, меньше 900м, Кп>1,5 и при некоторых значениях конструктивных параметров антенны (т, ст, N) в частотных характеристиках ЛПВА появляются аномалии, приводящие к ухудшению ДН, КУ, КСВ антенны на некоторых частотах в рабочей полосе частот. Эти аномалии появляются из-за влияния питающей линии. Устранить их возможно либо заменой короткозамкнутого отрезка ППЛ активным сопротивлением, равным 1,5. 5,5 от волнового сопротивления ППЛ (но в этом случае падает' усиление на нижней частоте рабочего диапазона), либо просто исключением этого короткозамкнутого участка. Лучше всего, для избежания таких аномалий, повторить проектирование антенны с другими параметрами.

6. Для уменьшения размера ЛПВА, определяемого длиной вибраторов, возможно вместо линейных вибраторов применять V- Г- или Т-вибраторы.

7. При применении V-вибраторов угол наклона плеч вибраторов для получения приемлемых характеристик должен быть меньше 35° по сравнению с антенной с линейными вибраторами, полоса V-антенны несколько расширяется, но падает КУ.

8. При применении Г- и Т-вибраторов нецелесообразно выбирать коэффициент укорочения меньше 0,6, так как уже происходит "наложение" "горизонтальных" отрезков вибраторов, что резко ухудшает ЭД характеристики таких антенн.

9. Достоинствами разработанной программы является возможность программной и ручной оптимизации параметров ЛПВА для получения минимальных габаритов без значительного ухудшения ЭД характеристик, простота в работе, наглядность, позволяющая отмечать влияние изменения конструктивных параметров на ЭД характеристики ЛПВА.

1. Carrel R., 1961 IRE Internat. Conv. Rec., pt. 1, 67-75 (1961).

2. Isbell D. E. Log-periodic Dipole Arrays //IRE Trans. 1960. Vol. AP-18, - P. 260267.

3. R. H. Du Hamel and D. E. Isbell. Broadband logarithmically periodic antenna structures //IRE Nat. Conv. Rec. 1957. Pt 1, - P. 119-128!

4. Guiseppe De Vito and Giovanni B. Stracca. Comments- on the design of Log-Periodic dipole antennas //IEEE Trans. Antennas and Prop. 1973. Vol. AP-21, N 3,-P. 303-308.

5. С. C. Bantin and K. G. Balmain. Study of compressed log-periodic dipole antennas //IEEE Trans. Antennas Prop. 1970. Vol. AP-18, Mar.,- P. 195-203.

6. С E. Smith. Log-periodic antenna design handbook //Smith Electron. Inc., Cleveland, Ohio, Res. Rep., 1966.

7. W. M. Cheong. Arrays of unequal and unequally spaced elements //Ph. D. dissertation, Harvard University, Cambridge, Mass., 1967.

8. W. M. Cheong and R. W. P. King. Log-periodic dipole' antenna //Radio Sci. -1967. Vol. 2.-P. 1315-1326.

9. W. M. Cheong and R. W. P. King. Arrays of unequal, and unequally spaced elements //Radio Sci. 1967. Vol. 2. - P. 1303-1314.

10. И.В. Бережная, А. С. Ильинский, Б.Л. Коган. Расчет логопериодического облучателя зеркальной антенны. //Вычислительные методы и программирование. Вып. 36: Сб. статей.-М.: Изд-во МГУ, 1982. -232 с.

11. З.Тихонов А.Н., Дмитриев В.И. Метод расчета распределения тока в системе линейных вибраторов и диаграммы направленности этой системы. В кн.:

12. Вычислительные методы и программирование. Вып. 10. Сб. статей.-М.: Изд-во МГУ, 1968. С. 3-8.

13. Сверхширокополосные антенны, под ред. Бененсона Л.С. М.: 1964 г.

14. Глушенко В.Н., Дубровка Ф.Ф, Куприй A.M., и др. Новые логопериодические и квазилогопериодические вибраторные антенны УКВ диапазона. // Изв. Вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. N8. 1998. С. 12-26.

15. Г.А. Полухин. Методика расчета несимметричных логопериодических вибраторных антенн. //Радиотехника и Электроника Т. 43 N 4, 1998. С. 395402

16. А. Ф. Яковлев. Антенные решетки из логопериодических элементов, расположенных на эллипсах. //Антенны. Вып. 1 (40), 1998. С.43.

17. Г.А. Полухин. Анализ характеристик логопериодических излучателей в бесконечной линейной решетке //Радиотехника и электроника, N6, М: 1976, с.1215.

18. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн М.: Радио и связь, 1989г.

19. Тарасов Н. П. Анализ и проектирование вибраторных антенн с помощью ЭВМ. Йошкар-Ола, 1995.21 .Вычислительные методы в электродинамике//Под ред. Р. Митры, Перевод с английского под редакцией Э. JI. Бурштейна. М.: Мир, 1977. - 485 е., ил.

20. Balmain К. G. Nueng I. N and other. Optimization of log-periodic dipole antennas. //IEEE Trans. On Ant and Prop. 1971 .Vol. AP-19, N3. - P. 286-287.

21. BaImain K. G. Nueng I. N. Asymmetry phenomenon of log-periodic dipole antennas. //IEEE Trans. On Ant and Prop. 1976. Vol. AP-24. N4 - P. 402-410.

22. Кудин В.П., Шлык, Н.И., Рубан А.П. Аномальные эффекты логопериодической вибраторной антенны. //Изв. Вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1985. Т. 28, № 3 - С. 61-64.

23. А.С. Ильинский, В. И. Селин. Влияние фидера на электрические характеристики вибраторных антенн.//Радиотехника. 1981. Т. 36, N4. - С. 62-66.

24. Яцкевич В. А. Логопериодические антенны. Вологда: Педагогический ин-т, 1994.-96 с.

25. Gong Z., Balmain K. G. Reduction of the anomalous resonance's of symmetric log-periodic dipole antennas// IEEE Trans. 1986. - Vol. AP-19, N 2. -P. 286-287.

26. Пат. 4630063 (США) Log-periodic antenna/S. C. Kuo.

27. A. c. 843047 (СССР) Логопериодическая антенна/А. И. Арбузов, В. П. Чернолес.

28. Вершков М. В. Судовые антенны. Л.: Судостроение, 1979. - 270 с.

29. Difonzo D. F. Reduced size log-periodic antennas //Microwave J. 1964. - Vol. 7, N 12.-P 37-42.

30. Пат. 3732572 (США) Log-periodic antenna with foreshortened dipoles/S. C. Kuo.

31. Логопериодические антенны уменьшенных размеров/В.А. Яцкевич, А.И. Самусенко, Р.Ш. Хамитов, Н.И. Шлык//Тезисы докладов 29-й Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. Ч. 2. - М.: Радио и связь. 1984. -С. 6.

32. Пат. 3573839 (США) Foreshortened log-periodic antenna/J. С. Parker.

33. Яцкевич.* В. А. Самусенко А.И. Электродинамический анализ спиральных вибраторов//Изв. Вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1983. - Т. 26, №8.-С. 25-30.

34. Пат. 5790082 (США) Double-delta log-periodic antenna/j" S. Podger.

35. Пат. 5995060 (США) Strengthened double-delta antenna structure/J. S. Podger.

36. Rojarayanont B. Sekiguchi T. A study on log-periodic loop antennas //Trans. Inst. Electron, and Commun. Enj. Jap. 1977. -Vol. 60. N 8. - P, 583-589.

37. Яцкевич В.А., Рубан А. П. Электродинамический анализ логопериодических антенн из рамочных элементов //Изв. Вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. 1982. - Т. 25, № 2. - С. 86-89.

38. Панченко Б.А. Нефедов Е. И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.- 143 с.

39. Wood С. Curved microstrip lines as compact wideband circularly polarized antennas //IEE Microwaves, Opt. Antennas. 1979. - N3.-P, 5-13.

40. Dong W. R., Sengupta L. L. A class of broad-band patch microstrip travelling wave antennas //IEEE Trans. 1984. - Vol. AP-32, N 1. - P. 98-100.

41. Pues H., Bogaers J., Pieck R., Van de Capelle A. Wideband quasi-log-periodic microstrip antenna// IEEE Proc. 1981. - Vol. 128, N 3. - P. 159-163.

42. Hall P. S. Multioctave bandwidth Log-periodic microstrip antenna array //IEEE Proc. 1986. - Vol. 133, N 2. - P. 127-136.

43. Smith H. K., Mayes P. E. Log-periodic array of dual-feed microstrip patch antennas //IEEE Trans. 1991. - Vol. AP-39, N 12. - P. 1659-1664.

44. Campbell С. K., Traboulay I., Suthers M. S., Kneve H. Design of a stripline log-periodic dipole antenna //IEEE Trans. 1977. - Vol. AP-25. - P. 718-721.

45. Rantoja R. R., Supienza A. R., Medeiras Filho F. C. A microwave printed log-periodic dipole array antenna ////IEEE Trans. 1987. - Vol. AP-35, N10 - P. 11761178.

46. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Радио и связь, 2000. - 559 с.

47. Лавров Г. А. Взаимное влияние линейных вибраторных антенн. М.: Связь, 1975.- 128 с.

48. Дубровка Ф.Ф, Шренк А.Е. Анализ логопериодической вибраторной антенны методом конечных разностей во временной области. //Изв. Вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. N12. 2000. С. 11-21.

49. Патент Украины № 1 от 30.06.95 р. В1браторна антена / Ф. Ф. Дубровка В. М. Глушенко, О. М. Куприй- Опубл. Промислова власнють 1996.

50. Barke G. I., Poggio A. J. The Numerical Electromagnetic Code (NEC). -Lawrence Laboratory, Livermore, CA, 1980.

51. Горемыкин E.B., Костромитин Г.И. Логопериодические вибраторные антенны в печатном исполнении. //Известия ТРТУ №2, 1997, с. 55.

52. Горемыкин Е.В., Костромитин Г.И. Логопериодические антенны для связи в диапазоне УКВ. РВИРВ тезисы доклада на межвузовской конференции, Ростов-на-Дону, 1998, с 59.

53. Горемыкин Е.В., Костромитин Г.И. Логопериодические антенны с полосковым питанием. В кн.: Рассеяние электромагнитных волн. Вып. П.Таганрог: ТРТУ, 1999, с. 82-88.

54. Горемыкин Е.В., Костромитин Г.И Расчет и анализ характеристик логопериодических вибраторных антенн. //Известия ТРТУ №1, 2000, с. 18.

55. Goremykin E. V., Kostromitin G. I. A reduction of log-periodic antennas dimensions //Proceedings of the 3rd International conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopil, Ukraine, 8-11 Sept. 1999. P 321-323.

56. Б. M. Петров. Горемыкин E.B. Костромитин Г.И. Особенности логопериодических антенн с полосковым питанием. //Излучение и рассеяние электромагнитных волн сентябрь 1999, с 64.

57. Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. М.: Радио и связь, 1982. - 59 с.

58. Конструирование и расчёт полосковых устройств. //Под ред. Ковалёва И. С. -М.: Сов. радио, 1974.

59. Лабынцев В. А. Курс лекций по теории полосковых линий. Каф. АиРПУ, ТРТУ, 1996г.

60. Mei К. К. On the integral equations of thin wire antennas //IEEE Trans. 1965. -Vol. AP-13, N 3 May. - P. 375-378.

61. В. А. Яцкевич, JI. Л. Федосенко, А. И. Самусенко. Решение интегрального уравнения для криволинейного проводника //Радиоэлектроника N8.Том XXV 1982.-С. 25-28.

62. Ted L. Simpson, The theory of top-loaded antennas: integral equations for the currents// IEEE Trans 1971. - Vol. AP-19, N 2. P. 186-190.

63. Masanobu Kominami, Katsu Rokushima, On the Integral Equation of Piecewise Linear Antennas// IEEE Trans.- 1981. Vol. AP-29, N 5. P. 787-791.

64. M. Kominami. S. Yamamura. and K. Rokushima, A simplified Integral equation of three dimensional wire structure-Application to top-loaded antennas. //Trans. IECE Japan, Vol. 60-6. N. 3. P. 205-211.Mar. 1977.

65. Горемыкин E. В. Костромитин Г. И. Логопериодическая антенна с Г-вибраторами. //Известия ТРТУ №1, 2001, с. 34.

66. IEEE Ant. and Prop. Magazine, Vol. 38. N5. P. 57. Oct. 1996.

67. В. Нерретер. Расчет .электрических цепей на персональной ЭВМ. Пер. с нем. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -220 е.: ил.

68. Б. П. Демидович, И. А. Марон. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1966. - 664 с. ил.168

69. Г. 3. Айзенберг, С. П. Белоусов., Э.М. Журбенко, Г. А. Клигер, А. Г. Курашов. Коротковолновые антенны //Под ред. Г. 3. Айзенберга. М.: Радио и Связь, 1985. - 536 с. ил.

70. Г. Т. Марков, Д. М. Сазонов. Антенны. М.: Энергия, 1975. - 528 с. ил.

71. Е. В. Горемыкин, Г. И. Костромитин, Б. М. Петров. Логопериодические антенны с укороченными вибраторами. //Известия вузов России. Радиоэлектроника №1, 2001, с. 21-31.

72. Е. В. Горемыкин, Г. И. Костромитин, Б. М. Петров. Антенны с кусочно-линейными вибраторами // Электродинамика и техника .СВЧ и КВЧ №2, 2001, с. 32-42.

73. Е. В. Горемыкин. Логопериодические антенны с сегментными вибраторами ТРТУ тезисы доклада на ИРЭМВ, Таганрог, 2001, с 144 146,

74. А. В. Маторин, В. И. Поповкин, А. Ю. Торопов. Проектирование тонкопроволочных антенн с использованием ЭВМ методом интегральных уравнений. Учебное пособие. Рязань: РРТИ, 1987. 64 с. ил.