автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Широкополосная щелевая турникетная антенна

На правах рукописи

Клыгач Денис Сергеевич

ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЩЕЛЕВАЯ ТУРНИКЕТНАЯ АНТЕННА

Специальность 05.12.07 - «Антенны, устройства СВЧ и их технологии»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

005060625

Воронеж 2013

005060625

Работа

выполнена

в

Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ)

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Войтович Николай Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шабунин Сергей Николаевич, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» ( г. Екатеринбург), заместитель директора института радиоэлектроники и информационных технологий

доктор технических наук, доцент Останков Александр Витальевич, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры радиотехники

Ведущая организация:

ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева» ( г. Миасс)

Защита состоится 13 июня 2013 г. в 14м часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.10 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан 13 мая 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.037.10

О.Ю.Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В системах наземного телевидения, радиовещания и радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн, в системах радионавигации, в системах инструментального обеспечения посадки самолётов и в некоторых других радиотехнических системах часто требуются передающие антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения, с высоким уровнем согласования антенны с фидером в широком диапазоне рабочих частот. Принципиальные технические вопросы построения антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости были решены ещё в 30-х годах прошлого столетия в работах А.А.Пистолькорса, В.В.Татаринова, Г.З. Айзенберга, М.С. Неймана, Б.В. Брауде и др. Реализация предложенных принципов построения антенн сводилась к тому, что вибраторы располагались либо нормально к оси опоры и питались токами, сдвинутыми относительно друг друга по фазе на угол, равный геометрическому углу между вибраторами, либо располагались параллельно стороне многоугольника (по периметру опоры). У истоков создания турникетных антенн для целей телевизионного вещания в метровом диапазоне волн стояли Б.В. Брауде в нашей стране и Robert W. Masters в США. Реализация предложенных ранее принципов построения передающих антенн была успешно применена в метровом диапазоне длин волн большим количеством инженеров-исследователей в области антенн во многих странах мира с развитой радиоэлектроникой. Однако, в дециметровом диапазоне длин волн эти принципы труднореализуемы, т.к. для формирования круговой диаграммы направленности необходимо, чтобы диаметр опоры имел радиус много меньший чем длина волны, что существенно снижает прочность конструкции антенны.

Альтернативный вариант построения антенны для наземного телевизионного вещания в диапазоне ультракоротких волн с горизонтальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости был предложен в 1938г. Аленом Блюмлейном. Антенна Блюмлейна представляла собой узкую щель, прорезанную в металлической трубе параллельно её оси. Диаметр трубы известных в настоящее время щелевых антенн равен примерно дайне волны, поделённой на 2 к.

Известные турникетные вибраторные антенны и щелевые антенны, выполненные на трубах, в метровом и дециметровом диапазонах длин имеют большую неравномерность диаграммы направленности (ДН) и узкую полосу согласования, большие размеры, большую парусность, большой вес, Антенны не технологичны, трудоёмки в изготовлении.

Автором предложен новый подход к построению передающих антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения в дециметровом диапазоне длин волн. Основой подхода является то, что несущие опоры антенны (при их необходимости) размешены по периметру антенны. Предложена оригинальная антенна, выполненная из двух металлических пластин со щелями, имеющими общую ось, которая служит и осью антенны. Предложены устройства согласования антенны с фидером, позволяющие обеспечить согласование на уровне КСВ 1,2 в полосе частот, составляющей 60% от средней частоты. Антенна конструктивно проста, технологична, имеет сравнительно небольшой вес, небольшую парусность, имеет надёжную защиту от влияния метеорологических факторов.

Актуальными вопросами в плане выполнения диссертационной работы являются:

-разработка компьютерной модели предложенной оригинальной щелевой турникетной антенны;

- увеличение полосы рабочих частот турникетной антенны;

-проведение анализа взаимного влияния щелевых излучателей на параметры турникетной антенны;

-проведение анализа влияния размеров излучающих и конструктивных элементов турникетной антенны на её электродинамические характеристики;

-разработка практических рекомендаций по построению широкополосных щелевых турникетных антенн.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования в - диссертационной работе является оригинальная широкополосная щелевая турникетная антенна. Антенна состоит из двух металлических пластин, расположенных ортогонально друг к другу с образованием гальванического контакта, в которых выполнены прямоугольные щели вдоль линии пересечения указанных пластин. При этом полупериметр каждой из щелей равен половине длине волны на средней рабочей частоте. Возбуждение щелей осуществляется с помощью коаксиальных кабелей. В качестве согласующих устройств предложены разомкнутый на конце отрезок коаксиального кабеля и пассивные щели. Предметом исследования в диссертации являются электродинамические характеристики антенны, их зависимость от размеров излучающих и конструктивных элементов антенны, методы и устройства согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.

Основные задачи работы. Целью работы является создание передающей антенны дециметрового диапазона длин волн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения с высоким уровнем согласования антенны с фидером в широком диапазоне рабочих частот.

Для достижения указанной цели в работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования применительно к предложенной оригинальной щелевой турникетной антенне на основе решения следующих задач:

1) краевой задачи электродинамики применительно к возбуждению антенны в виде двухсторонней щели, выполненной на ленте;

2) разработки компьютерной модели предложенной антенны, обеспечивающей достаточную точность предсказания поведения диаграмм направленности и согласования антенны с фидером;

3) выявления основных закономерностей поведения входного сопротивления антенны посредством численных исследований с применением разработанной компьютерной модели;

4) экспериментальных исследований поведения диаграмм направленности и согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.

Основные методы исследования.

1. Теоретический метод, основанный на решении краевой задачи электродинамики с применением векторной функции Грина, теоремы взаимности, асимптотическом представлении полей излучения в дальней зоне источников, расположенных в ограниченной части пространства, строгого решения задачи дифракции плоской волны на идеально проводящей ленте, асимптотическом представлении специальных функций Матье-Бесселя, решении интегрального уравнения для плотности тока на идеально проводящей ленте конечной толщины.

2. Численный метод, основанный на решении уравнений Максвелла в интегральной форме временным методом, реализованным в программе электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ. При этом разработана физическая модель исследуемой антенны с параметризованными размерами. Выполнен параметрический синтез предложенной оригинальной антенны для заданной полосы рабочих частот с ограничениями на величину коэффициента стоячей волны.

3. Экспериментальный метод с измерениями диаграмм направленности и согласования на макетах антенн и на образце антенны. Макеты выполнены из белой жести толщиной 0,50 мм, стандартных алюминиевых швеллеров и стандартного радиочастотного кабеля, стандартных соединителей радиочастотных. Образец представляет собой четырёхэтажную антенную решёпсу, излучающими элементами которой служат щелевые турникетные антенны, выполненные на алюминиевых листах толщиной 2 мм. Измерение диаграмм направленности макетов и образца антенны выполнялось методом вышки. Измерение согласования антенны с

фидером выполнялось автоматизированным прибором для измерения комплексных коэффициентов передачи с. последующим обработкой результатов измерений на ЭВМ.

Научная новизна заключается.

1. В строгом выводе соотношений для расчёта амплитудных и фазовых диаграмм направленности двухсторонней щели конечной ширины, выполненной на идеально проводящей бесконечно тонкой ленте.

2. В обосновании оригинальных технических решений построения щелевой турникетной антенны, обеспечивающих широкую полосу согласования антенны с фидером. Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение № 2401492.

3. В найденных закономерностях влияния размеров ленты на амплитудную и фазовую диаграммы направленности двухсторонней щелевой антенны и амплитудную диаграмму направленности турникетной щелевой антенны.

4. В исследовании зависимости характеристик излучения предложенной антенны от размеров её излучающих и конструктивных элементов. С помощью проведённых численных экспериментов определены оптимальные геометрические размеры антенны с точки зрения её согласования с фидером в диапазоне частот 470 - 860 МГц.

5. В доказательстве того, что открытый на конце отрезок линии передачи в качестве согласующего устройства обеспечивает компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне рабочих частот.

6. В найденных закономерностях влияния дополнительных пассивных щелей на реактивную составляющую входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне частот.

Практическая и теоретическая значимость.

1. Разработана оригинальная турникетная щелевая антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения в дециметровом диапазоне длин волн, обеспечивающая согласование с фидером на уровне КСВ менее 1,2 в полосе частот, составляющей 60% от средней частоты. Конструктивная простота, технологичность, небольшой вес, надёжная защита от влияния метеорологических факторов, хорошее согласование с фидером во всём дециметровом телевизионном диапазоне волн обеспечивают антенне преимущества в сравнении с аналогичными антеннами, предлагаемыми для оснащения радиостанций цифрового телевизионного вещания. Антенна полезна для применения в системах радиосвязи, в аэродромных радиотехнических системах навигации и в системах посадки самолётов гражданской авиации.

2. Разработана физическая модель широкополосной щелевой турникетной антенны, обеспечивающая расчёт согласования с фидером, расчёт амплитудных и фазовых диаграмм направленности в дальней и ближней зонах с учётом всех размеров как непосредственно излучающих элементов антенны, так и всех без исключения конструктивных элементов антенны (таких как стойки и кронштейны в виде швеллеров), а также обтекателя антенны. Физическая модель полезна и для разработки двусторонних щелевых антенн, возбуждаемых коаксиальным кабелем в других диапазонах длин волн.

3. Разработаны методики по практической реализации устройств возбуждения щелей и их согласования с фидером.

4. Установлены закономерности в поведении согласования антенны с фидером в зависимости от размеров возбуждаемой щели, пластины, в которой выполнена щель, размеров пассивных щелей, размеров конструктивных элементов антенны. Показано, что наилучшее согласование достигается на резонансных частотах. При этом первая резонансная частота определяется периметром поперечного сечения пластины, вторая обуславливается размером возбуждаемой щели, последующие резонансные частоты определяются размерами пассивных щелей.

5. Разработана методика параметрического синтеза антенны по критерию максимальной ширины полосы согласования антенны с фидером. Определены оптимальные параметры антенны, предназначенной для работы в диапазоне частот 470 — 860 МГц.

6. Результаты исследования диссертации применены для создания антенны дальнего контроля курсового маяка в системе инструментального обеспечения посадки СП-200 самолётов гражданской авиации ОАО "Челябинский радиозавод "Полёт".

• Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика проектирования широкополосной турникетной щелевой антенны, заключающийся в замене антенной опоры в виде трубы, расположенной в центре антенны, пространственной решёткой, несущие элементы которой размещены по периметру антенны, позволяет создать более надёжные и прочные конструкции щелевых турникетных антенн.

2. Физическая модель широкополосной турникетной щелевой антенны, основанная на строгом решении задачи дифракции плоской электромагнитной волны на идеально проводящем эллиптическом цилиндре.

3. Методика применения отрезка линии передачи с отрытым концом и пассивных щели в качестве согласующих устройств позволило увеличить ширину полосы согласования антенны с фидером в 12 раз по сравнению шириной полосы при стандартном способе возбуждения щелевой антенны.

4. Закономерности в поведении электродинамических характеристик предложенной антенны в зависимости от размеров её излучающих и конструктивных элементов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Ежегодных конференциях для аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 2009 — 2011 гг.); 52-й научной конференции Московского физико-технического института — Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2009 г.); международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2010» (Екатеринбург, 2010 г.); международной научно-практической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2011 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работах, из которых 4 публикации в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, в результате получен патенте РФ №2401492 на изобретение.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: разработка физической модели турникетной антенны и проведены исследования влияния обтекателя на характеристики антенны [30]; выведены формулы для амплитудных и фазовых диаграмм и разработана программа по их расчёту [31]; вывод формулы для расчёта диаграммы направленности щелевой антенны с учётом влияния поля дифракции плоской волны на идеально проводящей пластине [32]; разработана программа для расчёта диаграммы направленности щелевой антенны, анализ получившихся результатов [32].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 165 страниц, включая 100 рисунков. Список литературы и используемых источников содержит 66 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работа, приведен обзор аналогов: турникетных антенн, определены объект и предмет исследования. Поставлены основные задачи работы, приведена практическая и теоретическая значимость работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту диссертации. ■

В первой главе представлена математическая модель двусторонней щелевой антенны. Представлен метод расчёта поля излучения двухсторонней щелевой антенны. Для вычисления комплексной ДН двусторонней щелевой антенны использована лемма Лоренца и вспомогательная функция Грина. В качестве функции Грина применено строгое решение задачи дифракции плоской волны на идеально проводящей пластине.

Вычислены амплитудные и фазовые ДН для двустороннего щелевого излучателя и турникетной щелевой антенны при различных значениях соотношения Ы X, где Ь - периметр пластины, Я- длина волны. Определено оптимальное соотношение ¿/Л, при котором обеспечивается неравномерность амплитудной ДН не хуже ±1.5 дБ.

Рис. 1 - Конструкция турникетной антенны а) Антенна в разобранном виде; б) Сечение антенны в собранном виде

1 - ось симметрии пары щелевых излучателей; 2,3,4, 5 - пластины; 6,7, 8,9 - опоры; 10 -делитель мощности; 11,12- коаксиальные кабели; 13, 14 - согласующие устройства, 15,16 -

щели.

Антенна состоит из четырёх проводящих пластин 2, 3, 4, 5, расположенных ортогонально друг к другу с образованием гальванического контакта, в которых выполнены прямоугольные щели вдоль линии пересечения 1 указанных пластин. По периметру антенны расположены стойки 6, 7, 8, 9, которые обеспечивают жёсткость и прочность конструкции антенны. К щелям 15 и 16 подведены коаксиальные линия передачи 11 и 12, соответственно; в области над щелью внешний проводник кабеля удален; центральный проводник продолжен над щелью, где соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. Внешний проводник кабеля гальванически соединён с одним краем щели. Внешний проводник согласующего отрезка кабеля имеет гальванический контакт с другим краем щели.

Для вычисления комплексной ДН двусторонней щелевой антенны предположено, что имеется плоская бесконечно тонкая идеально проводящая пластина, ограниченная некоторьм контуром, в общем случае произвольной формы, в которой прорезана щель (рис.1).

Точка О в центре щели принята за начало сферической системы координат (г,9,ф) с ортами и декартовой системы координат (x,y,z) сортами j. Ось Oz

направлена параллельно продольной кромке щели. На поверхности щели SUf будем различать верхнюю сторону X = О + 0 и нижнюю сторону X = 0 — 0. Пусть в щели известно распределение напряженности электрического поля E0=iyE0. Заданное распределение напряжённости электрического поля в щели может быть представлено сторонним магнитным источником , который образован двумя поверхностными магнитными токами: магнитным

litis „ Л . Л

током j[ , распределенным на верхней стороне х = 0 + 0 и магнитным током j2 на нижнеи стороне пластины х = 0 — 0 :

¡■¡Гприх = 0 + 0;

J cm J __ ^ '

Ц™ при х = 0-0, где:

іі = х =^о; р)

ІГ=-КхЕ0) = І2^0.

Электрические поля на верхней и нижней сторонах пластины синфазны между собой, а соответствующие им поверхностные магнитные токи противофазны. Тангенциальная составляющая напряженности электрического поля на обеих сторонах поверхности пластины равна нулю.

Найдены соотношения для вычисления ДН в дальней зоне рассматриваемой двусторонней щелевой антенны. С этой целью использована интегральная формулировка леммы Лоренца В качестве первого поля в лемме Лоренца рассмотрено искомое поле двусторонней щелевой

антенны, созданное указанным первым источником )™т. Поскольку источники и пластина расположены на конечном расстоянии от начала координат, то, как известно, зависимость искомого поля(Е,Н) от расстояния Г при г-»оо имеет структуру уходящей сферической волны:

Е = ^Нхг„;

E0{0,<p) = WH9{e,<p)=Eme CXp(Jkr) Рх{Є,<р) E<p (M = -WH„ (0,<p) = (в,<р)

1 + ОІ —

(3)

UO\P

"" кг

где компоненты вектора напряженности электрического Е (магнитного Н)

поля; .IV = 12071 Ом — волновое сопротивление свободного пространства;

Гп =

-L - единичный орт радиуса-вектора точки наблюдения г;

г0 = зт0со5ф + ¡^5т8зт1р + 12соэб, к = 2п/\ - волновое число; X - длина волны; /•¡(8,ф), 7*^(6,ф)- комплексные диаграммы направленности (ДН) антенны, определяемые из решения задачи; р- наибольшее расстояние от начала координат, расположенного в области источников, до точки крайнего источника; О — символ Ландау.

Для определения ДН в дальней зоне, то есть поведения вектора Н(г) при Г —>00, в лемме Лоренца в качестве второго источника использована плоская волна ( Е^, Нр), созданная бесконечно удаленным источником: Нр = Нтр-ехр(/кр-г); Ер=1У-грх.Нр, где -волновой вектор, характеризующий направление гр(вр,<Рр) прихода плоской волны, кр = Ьгр=к(1х5т6р-со5<рр+1у5\пдр-$т<рр + '12со5вр) (волна движется в направлении единичного вектора (—г )).

Использование стороннего источника в виде плоской волны приводит к нарушению условия излучения. Однако, если функции Е^.Нр, вычесть из функций Е(т),Н(т', представляющих собой функцию Грина в решении задачи дифракции плоской волны на пластине, то поле рассеяния (Е5,Н5), = Е(ш) -Ер, Н5 = Н(и) -Нр уже будет

удовлетворять условию излучения. Функция Грина^Е'"|',Н("1'), полученная в результате

решения задачи дифракции плоской волны на рассматриваемой пластине с заметаллизированной щелью, была представлена в виде:

Е(т) = Етр ■ ехр(/кр ■ г) + Е,; Н(т) = Нтр ■ ехр(;к/, ■ г) + Н, (4)

Подставив функцию Грина и искомое поле (Е,Н) в лемму Лоренца, и учтя,

что векторы Н5 и Н в дальней зоне расположены перпендикулярно к направлению распространения г, и сделав необходимые преобразования, имеем:

\ [(е X Нтр • ехр(/к/, ■ г)) - (еи/) • схр^кр ■ г) X н)]. пА.

(5)

Предположено, что объём V в лемме Лоренца ограничен поверхностью Э, состоящей из поверхности сферы большого радиуса 5Г с центром в начале координат и поверхности пластины с заметаллизированной щелью .

Было найдено асимптотическое значение интеграла по поверхности 5Г при Аг —> оо. Для этого использовано известное соотношение для асимптотических вычислений кратных

г(»)

интегралов, определяемых вкладом (и)-ой стационарной точки х*.. стационарной точки):

#8

ёе1

дХрст^Хдст

((и) - номер 1/2

(6)

р=1

где:

п - размерность интеграла,

(1 р — собственные значения матрицы Гессе

дХрст^Хдст

1хя;1хи

Тангенциальная компонента вектора Е^ подчинена тем же граничным условиям, которым удовлетворяет тангенциальная компонента искомого поля: |п х Е^ || = 0 • Поэтому

интеграл по поверхности оказывается равным нулю. Поскольку в стационарной точке п II 1> то:

А(П)»Т/--™

При вычислении интеграла по объёму V поверхностные токи и представлены как предельные значения объёмной плотности тока \™т при стремлении координат источника к поверхности пластины. Поскольку = , то объёмный интеграл равен:

/й, ■!!<">*= |Г -(н«(0 + 0^,г)-нН(0-0^г))^. (8) >'

В результате, учитывая формулу (7), получены соотношения для вычисления диаграмм направленности щелевой антенны на пластине, ограниченной произвольным контуром:

(9) (10)

Нижние индексы вир в Н^ и Н^ означают, что поля созданы плоской волной с

вектором напряжённости магнитного поля, ориентированньм вдоль единичных векторов ¡0и

, соответственно. По формулам (9) и (10) диаграммы направленности вычисляются с

точностью до постоянного множителя, зависящего от принятой нормировки плотности магнитного тока и напряжённости магнитного поля.

В частном случае, когда щель является бесконечно узкой:

г ¡../"'(-)<!•'(>•-о), (11)

тогда выражение (10) принимает следующий вид:

2 //2

= \ 1г/т (--) Гп М (х = 0 + 0, у = 0, г) - И« = О - 0, v = о, г)1,//, (12)

-1/2 -1

где /-длинащели.

Пусть плоская волна падает нормально к поверхности прямоугольной пластины

(вр = 7г/2). С увеличением продольного размера пластины вклад ее торцевых участков и

прилегающих к ним областей в формирование поля рассеяния в плоскости г = 0 будет быстро убывать. Тогда правомерным становится предельный переход к двумерной плоской задаче для нахождения поля дифракции. Если при увеличении продольного размера радиус удалённой сферы то электромагнитное поле имеет вид расходящейся сферической волны.

Следовательно, все условия корректного предельного перехода будут обеспечены. Тогда в

предельном случае Н^"1'- поле дифракции плоской волны на ленте. На рис. 3, 4 приведены амплитудные и фазовые ДН двухсторонней щелевой антенньі, расположенной в центре полосы, параллельно её граням для двух значений отношения длины периметра пластины і к Я длине волны.

"Ч і \Ґ

.....X ~ К/ !

і і -. і Л^і .....:........:.....ї"І........

V • л""ТГ \ і' і

Рис.3. Амплитудная ДН двусторонней щелевой антенны — И X - \ -- И X = Ъ

и о

Рис.5. Амплитудная ДН турникетной щелевой антенны — их = 1, --- их =3

Рис.4. Фазовая ДН двусторонней щелевой антенны

— ИХ =1

- - ИХ =3

«« 1» ГА НО ЖЯ . Ж

Чгог*

Рис.6. Фазовая ДН турникетной щелевой антенны — ИХ = 1, - - ИХ =3

Анализ численных экспериментов показал, что отклонения ДН турникетной антенны от круговой ДН не превышают величину ±1,5дБ при отношении периметра ленты к длине волны менее величины 1,4.

Показано, что с ростом отношения ширины ленты к длине волны наблюдается увеличение угла разворота максимумов амплитудных ДН относительно исходного положения максимумов, наблюдаемого при стремлении упомянутого отношения к нулю. Направление разворота ДН определяется опережением (отставанием) по фазе напряжения источников возбуждения одной из щелей.

Выявлено, что фазовая ДН турникетной антенны с излучателями в виде щелей на ленте ограниченных размеров отличается от линейной зависимости, характерной для щели в плоскости, бесконечно протяжённой во всех направлениях.

Необходимо отметить, что для ДН турникетной щелевой антенны характерна асимметрия, которая проявляется в некотором повороте максимума ДН относительно плоскостей, в которых расположены ортогональные излучатели. Угол поворота максимума ДН зависит от отношения

Ь/Х, направление поворота происходит в сторону излучателя с отстающей фазой возбуждающего источника. Чем больше это отношение, тем больше угол поворота. Для рассматриваемого случая угол поворота максимума ДН составляет 12° и направлен против хода часовой стрелки. Такое поведение ДН можно объяснить влиянием особенностей фазового распределения поля излучения. При ориентации антенной системы в конкретном месте установки и с учетом рельефа местности точный расчет ДН позволит оптимизировать зону обслуживания радиосистемы.

Во второй главе выполнено исследование влияния размеров конструктивных элементов турникетной антенны на её согласование с фидером. В качестве фидеров в передающих телевизионных станциях традиционно используются фидеры с 75 - омным волновым сопротивлением. В последние годы используются и 50 - омные фидеры, получившие ранее широкое распространение в изделиях специальной техники. В ходе исследования рассмотрено согласование предложенной турникетной антенны как с 50 - омным, так и с 75 - омным фидером.

Был разработан исходный вариант макета турникетной антенны. На основе этого макета была создана компьютерная модель в программе электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ. Для определения адекватности компьютерной модели макету турникетной щелевой антенны, в диссертации приведено сравнение зависимости входного сопротивления и КСВН от частоты компьютерной модели и макета турникетной антенны. Показано, что расчётные результаты зависимости входного сопротивления и КСВН от частоты, полученные с помощью компьютерной модели, полностью сопоставимы с экспериментальными результатами, полученными на макете турникетной антенны. Поэтому, дальнейшие исследования по согласованию турникетной щелевой антенны с фидером в полосе частот производились в программе электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ.

Выполнены исследования влияния входного сопротивления турникетной щелевой антенны от ширины пластины турникетной антенны, на которой прорезаны щели, длины и ширины щели, положения точки возбуждения антенны и длины согласующего отрезка коаксиальной линии передачи.

Выявлено, что активная часть сопротивления постоянна в диапазоне частот и равна 50 Ом. Это показывает принципиальную возможность согласовать антенну с фидером с волновым сопротивлением 50 Ом. Ширина полосы согласования определяется полосой частот, в которой активная составляющая входного сопротивления постоянна и равна 50 Ом. Наибольшее влияние на поведение зависимости активной части сопротивления от частоты оказывает изменение длины щели щелевой антенны и длины согласующего отрезка коаксиального кабеля.

А. А

4)\

V ш у \

/V

Рис. 7. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от частоты при различных длинах щели антенны

-го мм--231.

Рис. 8. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от частоты при различных длинах согласующего отрезка

В первом случае увеличение полосы частот, в которой активная составляющая входного сопротивления постоянна, происходит за счёт уменьшения значения её максимума в высокочастотной области, во втором - за счёт смещения графика зависимости по оси ординат. Получено, что активная составляющая входного сопротивления антенны постояннао и равна 50±10 Ом в полосе частот 470 - 650 МГц.

Реактивная составляющая входного сопротивления турникетной щелевой антенны была скомпенсирована с помощью подбора длины согласующего отрезка коаксиального кабеля и положения точки возбуждения относительно нижней кромки щели.

-Ю-

\

1

\

* 0. 50 0. 5 0. ■Ю 0 » «75 оет о.и о.

/

К А

-И: И

тГ 1

Г"'

7

Рис. 9. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от частоты при различных длинах щели антенны

Рис. 10. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от частоты при различных длинах согласующего отрезка

Геометрические размеры антенны, при которых получено её согласование с фидером с волновым сопротивлением 50 Ом:

1) Высота пластин антенны Н = 1680 мм;

2) Ширина пластин антенны В = 160 мм;

3) Длина щелевого излучателя 1 = 236 мм;

4) Ширина щелевого излучателя Ь = 33 мм;

5) Расстояние между щелевыми излучателями <Х = 420 мм;

6) Длина согласующего отрезка Ьэ = 18,6 мм;

7) Положение точки возбуждения щелевого излучателя от края щели Тг = 24 мм;

8) Согласующий отрезок фидера имеет волновое сопротивление равное 50 Ом.

На рис. 11 представлены графики зависимостей от частоты активной и реактивной части входного сопротивления турникетной щелевой антенны.

у

/

у

/— /

/

__

-активная часть, —-реактивная пасть

Рис.11. Зависимость входного сопротивления от частоты для турникетной антенны

0,450 11.47; 0.500 0.525 0.550 0.575 0.600 0.625 0.650 !Ш5 чмсюя. ГГц

Рис. 12. Зависимость КСВ от частоты для турникетной щелевой антенны

В третьей главе выполнено исследование с целью увеличения полосы согласования турникетной щелевой антенны с фидером. Получены оптимальные размеры антенны, при которых полоса частот согласования получилась 30% от средней частоты диапазона. Показано, что основное влияние на полосу частот согласования оказывает реактивная составляющая входного сопротивления антенны. Поэтому в данной главе был рассмотрен способ, с помощью которого возможно скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны в широкой полосе частот, а именно в полосе 470 - 860 МГц.

Рассмотрены два варианта возбуждения турникетной щелевой антенны. Первый, традиционный, вариант: возбуждение выполнено так, что внешний проводник (оплётка) коаксиального кабеля имеет гальванический контакт с одним краем щели, а центральный проводник - с другим краем щели; в области щели внешний проводник кабеля удален. Второй вариант: возбуждение турникетной антенны выполнено с применением согласующего устройства, в качестве которого применён отрезок коаксиальной линии передачи. При этом внешний проводник кабеля припаивается к краю щели; в области щели внешний проводник кабеля удален, центральный проводник продолжен над щелью, где соединён с центральным проводником согласующего отрезка кабеля. Внешний проводник согласующего отрезка кабеля имеет гальванический контакт с другим краем щели. На рис. 13 и 14 приведены графики зависимости от частоты входного сопротивления с традиционным возбуждением щели.

Рис. 13. Зависимость активной части входного сопротивления турникетной щелевой антенны от частоты

Частота, ГГц

Рис. 14. Зависимость реактивной частив входного сопротивления турникетной щелевой антенны от частоты

При первом варианте возбуждения входное сопротивление щелевой антенны имеет большую величину реактивной составляющей. Максимальное значение реактивной составляющей в полосе частот 470 - 600 МГц равно минус 50 Ом. В полосе частот 470 - 560 МГц активная часть входного сопротивления равна 50±10 Ом. Полоса согласования щелевой антенны с фидером составляет 0,05/ где /- средняя частота диапазона.

При втором варианте возбуждения щелевой антенны реактивная составляющая входного сопротивления антенны полностью скомпенсирована в полосе частот 475 - 615 МГц, а реальная часть в той же полосе частот постоянна и равна 50 Ом. Второй вариант согласования позволяет увеличить диапазон согласования до 0,3 /

Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления турникетной щелевой антенны в более широком диапазоне частот, введены дополнительные пассивные щели. На рис. 15 представлена модель щелевой антенны с пассивными щелями.

■

Рис. 15. Модель щелевой антенны с пассивными щелями.

1 - пластина; 2 - коаксиальный кабель; 3 - центральный проводник с диэлектриком;

4 - согласующий отрезок кабеля; 5 - пассивные щели Было проведено исследование влияния геометрических размеров пассивных щелей на согласование щелевой антенны с фидером. Показано, что пассивные щели оказывают существенное влияния на характеристики антенны в высокочастотной области частот рабочего диапазона. Широкая полоса частот согласования обеспечивается тем, что увеличился диапазон частот, в котором активная составляющая входного сопротивления турникетной антенны постоянна и равна 50 Ом. Для способа возбуждения с применением согласующего отрезка этот диапазон частот составляет 490 - 640 МГц, с введением пассивных щелей диапазон частот составляет 500 - 925 МГц. Реактивная составляющая входного сопротивления практически скомпенсирована за счёт введения пассивных щелей, а также подбором длины и положения этих пассивных щелей относительно основной щели. В результате, в диапазоне частот 500 - 925 МГц реактивная составляющая водного сопротивления щелевой антенны имеет значение -10±10 Ом. Всё это способствовало получению широкой полосы частот согласования щелевой антенны с фидером.

0.5S 0,60 0.65 0.70 0,75 0.50 0,55 0.00 0.35 ГГц

Рис. 16. Зависимость КСВ антенны от частоты

0.45 0 50 0.55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,60 0,85 0,90 Чостопа. ГГи

-Реолькоя чостъ бхобного сопротибленил

--Мнимоя часть бхоЗнога сопротивления

Рис. 17. Зависимость входного сопротивления антенны от частоты

На графике зависимости КСВ от частоты рис. 16 можно чётко выделить 3 резонансных частоты. Первый резонанс (на частоте 525 МГц) обусловлен размерами пластины. Второй резонанс (на частоте 730 МГц) обусловлен размерами щели, в частности, её периметром. Третий резонанс (на частоте 900 МГц) обусловлен размерами пассивных щелей. Полоса согласования щелевой антенны без пассивных щелей составляет ¡50 МГц, т.е. 0,3/ При введении пассивных щелей полоса согласования увеличилась до 400 МГц, что составляет 0,6/, где/ - средняя частота диапазона.

Зависимость активной составляющей входного сопротивления от частоты характеризуется наличием участка от 500 до 900 МГц, на котором величина реальной части сопротивления равна 50 ± 10 Ом. За пределами этого участка, в области низких частот, величина сопротивления убывает, а в области высоких частот наблюдается резкое возрастание величины сопротивления, при этом максимальное значение равно 119 Ом.

График зависимости реактивной составляющей входного сопротивления от частоты характеризуется участком от 475 до 910 МГц, на котором величина реактивной части сопротивления изменяется в диапазоне от -25 до 0 Ом, т.е. реактивная составляющая сопротивления скомпенсирована в более широкой полосе частот, чем без пассивных щелей. За пределами этого участка в области низких частот реактивная составляющая сопротивления убывает, в области высоких частот, значение сопротивление резко убывает, на частоте 950 МГц достигает значение — 100 Ом.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных на макетах двухсторонней щелевой антенны и на образце турникетной щелевой антенны. Приведены экспериментальные данные влияния размеров излучающих и конструктивных элементов турникетной щелевой антенны на её электродинамические параметры. Приведено сравнение экспериментальных и расчётных ДН для нескольких макетов двухсторонней щелевой антенны и турникетной щелевой антенны при различных отношениях ширины пластины к длине волны Ь / Я. Приведены ДН в горизонтальной и вертикальной плоскости и зависимость КСВН от частоты для образца широкополосной турникетной щелевой антенны. Исследовано влияние обтекателя на согласование антенны с фидером и на форму диаграммы направленности антенны в зависимости от диаметра и толщины стенки обтекателя.

При измерении диаграммы направленности антенн в плоскостях векторов Е и Н использовалось следующее оборудование:

1) ОБЗОР-ЮЗ-измеритель комплексных коэффициентов передачи;

2) макет антенны;

3) приёмная антенна;

4) направленный ответвитель.

Схема соединений при измерении ДН макета антенны приведена на рис. 15.

Измерения ДН макета антенны выполнены следующим образом. Макет антенны был закреплён на высоте 1 метр на штативе, оборудованным поворотным устройством, расположенным на открытой площадке. При этом ось поворота устройства совпадала с осью турникетной антенны. На расстоянии 5 метров была установлена приёмная антенна, подключенная к измерителю комплексных коэффициентов передачи, настроенному на диапазон частот 400-900 МГц,

Прибором ОБЗОР-ЮЗ измерялся коэффициент передачи Полученные значения коэффициента передачи $21 были нормированы относительно его среднеквадратичного значения.

Рис. 15. Схема соединений при измерении ДН макета антенны; Г - генератор ВЧ; НО - направленный ответвитель; М - макет антенны; ПА - приёмная антенна; ОБЗОР-103.

Было выполнено экспериментальное исследование влияния ширины пластаны (Ь / Я) на амплитудную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

150

-Росчетная ЯН,-Экспериментальная ЯН

Рис. 16. Амплитудная ДН турникетной антенны, ¿/Я=1.7

-Расчетная ДН,-Экспериментальная ДН

Рис. 17. Амплитудная ДН турникетной антенны, Ы Х=1

Примеры экспериментальных и расчётныхе диаграмм направленности турникетного щелевого излучателя при различном соотношении ¿/А приведены на рис. 16 — 17. Из рассмотрения графиков на рис. 16 видно, что при соотношении ¿/Я =1.7 наибольшие отклонения диаграммы направленности турникетной щелевой антенны от окружности равны +4,84дБ и -2,69 дБ. Для уменьшения неравномерности амплитудной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости во втором макете ширина пластины была уменьшена с 380 мм до 200 мм и отношение ЫX стало равно 1. При Ы 2.= 1 наибольшие отклонения амплитудной диаграммы направленности турникетного щелевого излучателя от окружности равны +0,7 дБ и - 0,79 дБ.

Было проведено исследование влияния стоек и кронштейнов на амплитудную диаграмму направленности двухсторонней щелевой антенны и турникетного щелевого излучателя. При этом пластины со щелями и верхний и нижний кронштейны в виде пластин диаметром 380 мм были выполнены из лужёных жести толщиной 0,50 мм.

Рис. 18. ДН двухсторонней щелевой антенны в плоскости вектора Е

Рис.19. Фотография макета 4-х этажной

вертикальной антенной решётки с излучателями в виде турникетных щелевых антенн

Введение стоек в конструкцию антенны необходимо в некоторых случаях для обеспечения жёсткости и прочности конструкции турникетной щелевой антенны. В качестве стоек были выбраны стандартные алюминиевые швеллеры размером 25x25x25мм. Внутреннюю область швеллера можно рассматривать как закороченную линию передачи, образованную внутренними гранями параллельных друг другу полок швеллера и закоротки в виде ортогональной к ним полки. В этой области мала напряжённость электрического поля. Во

внутренние области швеллеров были уложены коаксиальные кабели от делителя мощности к точкам возбуждения щелей.

Результаты проведённых экспериментов влияния стоек на ДН двусторонней щелевой антенны в составе турникетной антенны приведены на рис. 18. Как видно из рассмотрения графиков на рис. 18 и других рисунков, приведённых в диссертации, влияние швеллеров на ДН турникетной щелевой антенны в плоскости Е практически пренебрежимо мало.

Был изготовлен образец турникетной антенны, представляющий собой линейную вертикальную четырёхэтажную антенную решётку щелевых турникетных излучателей.

Рис. 20 Диаграммы направленности в плоскости Е излучателей турникетной щелевой решётки

-Эксперимемтальмоя ДН -Расчетной ЛН

Рис. 21. Диаграмма направленности в плоскости Н турникетной щелевой решётки

На рис. 20 приведены нормированные экспериментальные ДН четырёх щелевых турникетных излучателей макета в составе линейной четырёх этажной антенной решётки указанных излучателей. Излучатели запитаны равноамплитудно и синфазно. Нормирование диаграмм направленности выполнено относительно их среднеквадратичного значения.

Из рассмотрения графиков на рис. 20 видно, что ДН излучателей антенной решётки на каждом этаже симметричны, отклонения экспериментальных ДН антенны от окружности не превышают величину ±1.27дБ.

На рис. 21 приведены измеренная и расчётная ДН указанной антенной решётки. Вычисления выполнены с помощью разработанной в процессе выполнения диссертационной работы компьютерной модели в программе электродинамического моделирования антенн и устройств СВЧ. Уровень боковых лепестков ДН в вертикальной плоскости не превышает минус 13.1 дБ.

Частота, МГц

Рис. 22. КСВН макета турникетного щелевого излучателя

Рис. 23 Расчётная Диаграмма направленности Рис. 24 - Фотография

при различной толщине стенки обтекателя турникетной антенны с обтекателем

образца антенны с обтекателем Из рассмотрения графиков на рис. 23 видно, что с увеличением толщины стенки обтекателя неравномерность диаграммы направленности увеличивается. Наибольшая неравномерность ДН в горизонтальной плоскости, равная ±1.8 дБ, получена при толщине стенки обтекателя 8 мм. При толщине стенки равной 2мм обтекатель не вносит существенным искажений ДН.

Для образца антенны был изготовлен обтекатель с "тонкой" стенкой толщиной 2,5мм, диаметром 245 мм и высотой 2000 мм, удовлетворяющий требованиям по механической прочности при эксплуатации в условиях сильных ветров, наблюдаемых при размещении антенн на антенных опорах в виде башен.

Частота, МГц

Рис. 25. КСВН макета турникетного щелевого излучателя - без обтекателя;--с обтекателем

Для проверки полученных расчётных данных и правильности выбора размеров конструкции обтекателя, экспериментально были исследованы параметры антенны с обтекателем. Расчётные и экспериментальные зависимости КСВН в фидере от частоты для антенны без обтекателя и с обтекателем с толщиной стенки 2,5 мм приведены на рис.25.

В диссертации приведены практические рекомендации по реализации антенн, свободных от антенного эффекта фидера.

На рис. 22 показана зависимость КСВН от частоты для турникетной щелевой антенны. Полоса частот по уровню КСВН = 1.25 составляет 0,6 / где / - средняя частота рабочего диапазона.

Исследовано влияние обтекателя на форму диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и согласование турникетной антенны. На рис. 23 приведены диаграммы направленности антенны при различной толщине стенки обтекателя и антенны без обтекателя.

------Без обтекателя;

Введение указанных в диссертации устройств в совокупности решает задачу:

- создать антенну с входным сопротивлением 50 или 75 Ом, _

- создать антенну, способную излучать сигналы с высоким уровнем мощности;

-создать антенну с практически постоянным входным сопротивлением в широком диапазоне частот, что важно для качества передаваемого сигнала;

- создать антенну с высокой механической прочностью, обеспечиваемой необходимым количеством стоек и формой и размерами их поперечного сечения, что позволяет размещать выше данной антенны другие антенны, например, антенны для работы на других телевизионных каналах или иных устройств в других частотных диапазонах;

-создать антенну, конструкция излучающих элементов которой обеспечивает соединение по постоянному току всех элементов с системой заземления опоры, на которой она устанавливается;

- создать антенну, отличающуюся конструктивной простой, технологичностью, имеющую сравнительно небольшой вес, небольшую парусность;

- создать антенну, обеспечивающую защиту от влияния неблагоприятных метеорологических факторов на её электрические параметры.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показана актуальность разработки для систем наземного телевидения, радиовещания и радиосвязи в метровом и дециметровом диапазонах волн, для систем радионавигации и систем инструментального обеспечения посадки самолётов передающих антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения, с высоким уровнем согласования антенны с фидером в широком диапазоне рабочих частот.

2. Разработана оригинальная конструкция турникетной щелевой антенны, выполненной из двух ортогональных друг к другу гальванически соединённых металлических пластин, в которых прорезаны прямоугольные щели вдоль линии пересечения указанных пластин, которая является осью антенны.

3. Предложен новый подход к построению передающих антенн, удовлетворяющих указанным выше требованиям. Основой подхода является то, что в предложенной антенне несущие опоры (в случае необходимости их применения для повышения жёсткости и прочности антенны) размещены по периметру антенны; при этом опоры оказывают пренебрежимо малое влияние на форму диаграммы направленности, а их влияние на согласование антенны с фидером может быть скомпенсировано согласующими элементами

4. Разработана методика согласования двухсторонней щелевой антенны с фидером, позволяющие обеспечить согласование на уровне КСВ 1,2 в полосе частот, составляющей 60% от средней частоты. При этом щелевая турникетная антенна конструктивно проста, технологична, имеет сравнительно небольшой вес, небольшую парусность, имеет надёжную защиту от влияния метеорологических факторов.

5. Решена краевая задача электродинамики применительно к расчёту амплитудных и фазовых диаграмм направленности антенны, выполненной в виде двухсторонней щели конечных длины и ширины на идеально проводящей бесконечно тонкой ленте. При этом использована векторная функция Грина, теорема взаимности, асимптотическое представление полей излучения в дальней зоне источников, расположенных в ограниченной части пространства, строгое решение задачи дифракции плоской волны на идеально проводящей ленте. .

6. Разработана физическая модель предложенной оригинальной щелевой турникетной антенны, с применением которой выполнены исследования по увеличение полосы рабочих частот антенны, анализ взаимного влияния щелевых излучателей на параметры турникетной антенны, проведён анализ влияния размеров излучающих элементов и конструктивных

элементов на её электродинамические характеристики, разработаны практические рекомендации по построению широкополосных щелевых турникетных антенн.

7. Разработана методика параметрического синтеза предложенной оригинальной антенны для заданной полосы рабочих частот 470-860 МГц с ограничениями на величину коэффициента стоячей волны.

8. Установлены закономерности в поведении согласования антенны с фидером в зависимости от размеров возбуждаемой щели, пластины, в которой выполнена щель, размеров пассивных щелей, размеров конструктивных элементов антенны. Показано, что наилучшее согласование достигается на резонансных частотах. При этом первая резонансная частота определяется периметром поперечного сечения пластины, вторая обуславливается размером возбуждаемой щели, последующие резонансные частоты определяются размерами пассивных щелей.

9. Разработаны методики по практической реализации устройств возбуждения щелей и их согласования с фидером.

10. Методом вышки измерены в широком диапазоне частот диаграммы направленности на макетах антенн и на образце антенны. Образец представляет собой четырёхэтажную антенную решётку, излучающими элементами которой служат щелевые турникетные антенны. Выполнено измерение согласования антенны с фидером автоматизированным прибором для измерения комплексных коэффициентов передачи с последующей обработкой результатов измерений на ЭВМ.

11. В результате теоретических и экспериментальных исследований показано, что антенна имеет:

-симметричную диаграмму направленности в вертикальной плоскости;

-круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости;

-низкий уровень КСВН<1.2 в линии питания за счёт согласования входного сопротивления

антенны с волновым сопротивлением фидера в рабочей полосе частот;

-способность излучать большую мощность;

-другие преимущества, указанные в тексте диссертации.

12. Результаты исследования диссертации применены для создания антенны дальнего контроля курсового маяка в системе инструментального обеспечения посадки СП-200 самолётов гражданской авиации ОАО "Челябинский радиозавод "Полёт", внедрены в учебный процесс кафедры "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Южно-Уральского государственного университета (национального исследовательского университета).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных трудах.

Публикации в изданиях из перечня ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных в действующем перечне ВАК:

1. Клыгач Д.С., Войтович Н.И. Влияние фазовых диаграмм направленности щелевых излучателей на диаграмму турникетной щелевой антенны // Вестник ЮУрГУ №2 (219) «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» 2011, выпуск 13, с. 34-39.

2. Клыгач Д.С., Войтович Н.И., ХашимовА.Б. Поле излучения двухсторонней щелевой антенны. //Вестник ЮУрГУ №23 (282) «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» 2012, выпуск 16, с. 135-142.

3. Клыгач Д.С., Войтович Н.И., ХашимовА.Б. Математические модели щелевых. антенн. //Вестник ЮУрГУ №25 (294) «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» 2012, выпуск 17, с. 6-10.

Статьи и материалы конференций

4. Широкополосная турникетная антенна: пат. 2401492 Рос. Федерация МПК7 Н 01 Q 13/ 00 Войтович Н.И., Клыгач Д.С., Репин H.H. - №2009133771/07,08.09.2009. приоритет 08.09.2009.

5. Клыгач, Д.С. Турникетная антенна для вещания цифрового телевидения [Текст] Д.С. Клыгач // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: М.: МФТИ, 2009. Часть I. Радиотехника и кибернетика. Том I-C. 149-154.

6. Клыгач Д.С., Войтович Н.И., Репин H.H. Антенна дециметровых волн // Труды международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2010» / Екатеринбург, 2010, с.364.

7. Клыгач Д.С. Возбуждение щелевого излучателя электромагнитных волн в турникетной антенне // Материалы Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2010. 367 с.

8. Клыгач Д.С. Влияние обтекателя на параметры турникетной антенны. // Научный поиск: материалы второй научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. -Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - Т.2. - 200 с

9. Клыгач Д.С. Математическая модель турникетной антенны. // Научный поиск: материалы третьей научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. -Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. —Т.2.—200 с.

Подписано в печать .05.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ №_.

ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет

На правах рукописи

04201

Клыгач Денис Сергеевич

ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЩЕЛЕВАЯ ТУРНИКЕТНАЯ АНТЕННА

Специальность - 05.12.07 «Антенны, устройства СВЧ и их технологии»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор, Войтович Николай Иванович

Челябинск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных обозначений............................................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................8

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКАЯ И ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ТУРНИКЕТНОЙ АНТЕННЫ.............................21

1.1 Введение........................................................................21

1.2 Физическая модель двусторонней щелевой антенны..................22

1.3 Формулировка метода решения.............................................23

1.4 Функция Грина рассматриваемой задачи.................................26

1.5 Поведение функции Грана в дальней зоне...............................27

1.6 Значение поверхностного интеграла на внешней поверхности SR области V..............................................................................................28

1.7 Значение поверхностного интеграла на внутренней поверхности Snj¡ области V..................................................................30

1.8 Значение объемного интеграла.............................................31

1.9 Частный случай для узкой щели...........................................33

1.10 Формулы для нахождения диаграммы направленности турникетного щелевого излучателя в горизонтальной плоскости.......34

1.11 Фазовые диаграммы направленности двухстороннего щелевого излучателя...........................................................................45

1.12 Фазовые диаграммы направленности турникетного щелевого излучателя...........................................................................47

1.13 Метод интегральных уравнений........................................53

1.14 Выводы........................................................................61

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРНИКЕТНОЙ

АНТЕННЫ..................................................................................65

2.1 Введение.........................................................................65

2.2 Исходный вариант модели антенны.......................................66

2.3 Исследования влияния длины щелевого излучателя на полосу согласования турникетной антенны с фидером..............................69

2.4 Исследования влияния длины согласующего отрезка фидера на полосу согласования турникетной антенны с фидером....................75

2.5 Исследования влияния ширины пластины на полосу согласования турникетной антенны с фидером................................................80

2.6 Исследования влияния положения точки возбуждения от края щели на полосу согласования турникетной антенны с фидером...............................................................................82

2.7 Результаты исследований....................................................87

2.8 Выводы...........................................................................89

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ СОГЛАСОВАНИЯ АНТЕННЫ С ФИДЕРОМ.......................................92

3.1 Введение.........................................................................92

3.2 Способ возбуждения щелевой антенны с помощью короткого замыкания............................................................................93

3.3 Способ возбуждения щелевой антенны с помощью согласующего отрезка................................................................................98

3.4 Увеличение диапазона согласования с помощью дополнительных щелей.................................................................................101

3.5 Численное исследование влияния длины пассивных щелей на параметры щелевой антенны...................................................105

3.6 Численное исследование влияния положения пассивных щелей по вертикали на параметры щелевой антенны.................................108

3.7 Численное исследование влияния положения пассивных щелей по горизонтали на параметры щелевой антенны..............................111

3.8 Численное исследование влияния длины согласующего отрезка на параметры щелевой антенны с пассивными щелями.....................113

3.9 Исследование влияния двух пар пассивных щелей на согласование

и ДН щелевой антенны...........................................................115

3.10 Результаты исследования.................................................117

3.11 Выводы........................................................................120

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................124

4.1 Введение........................................................................124

4.2 Условия проведения экспериментов.....................................125

4.3 Влияние ширины пластины на диаграмму направленности антенны в плоскости вектора Е............................................................126

4.4 Влияние антенного эффекта фидера на диаграммы направленности двухсторонней щелевой и турникетной антенн............................135

4.5 Влияние стоек на диаграмму направленности антенны..............140

4.6 Исследование диаграмм направленности антенной решетки щелевых турникетных излучателей...........................................145

4.7 Выводы.........................................................................150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................151

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................153

Список рисунков..................................................................160

Список основных обозначений

а единичный вектор, задающий ориентацию вспомогательного

источника

(гДср) сферическая система координат (, ¡е > 'ф) единичные орты сферических координат (х,у,г) декартовая система координат (г^Гу,^) единичные орты декартовых координат

<5"з(г-г1) трехмерная ¿»-функция

с1 толщина пластины

с1 собственные значения матрицы Гессе

к волновое число

п единичный вектор внешней нормали к поверхности £

/3 постоянная распространения

О символ Ландау

X длина волны

плотность тока стороннего магнитного источника

•> поверхностная плотность магнитного тока

^(0,ф) комплексная диаграмма направленности

/ длина щели на пластине

Е вектор напряженности электрического поля

Е вектор напряженности электрического поля плоской волны

вектор напряженности электрического вспомогательного поля

амплитуда напряжённости электрического поля рассеяния

Н вектор напряжённости магнитного поля

Н вектор напряженности магнитного поля плоской волны

дО) вектор напряженности магнитного вспомогательного поля

Н5 амплитуда напряжённости магнитного поля рассеяния

г радиус-вектор текущей точки наблюдения

г0 единичный орт радиуса-вектора точки наблюдения

площадь поверхности щели площадь поверхности сферы Бпл площадь поверхности пластины

Ж2р+1(/ЗС0,0) производная радиальной нечетной функции Матье-Бесселя Ж2р+1(/ЗС0,/Зг) порядка 2р+1 от аргумента рг по переменной г при г = г0= о

Ня{2р+1(/ЗС0,0) производная радиальной нечетной функции Матье-Ханкеля второго рода я^/иО^О»,/Зг) порядка 2р+1 от аргумента рг

8егР+\(РСц,ф) угловая нечетная функция Матье 2р+1 порядка для параметра рс0 от аргумента

¡V волновое сопротивление свободного пространства

А антенна

АК антенный кабель

Г генератор

ДМ делитель мощности

ДН диаграмма направленности

ИК измерительный кабель

КСВН коэффициент стоячей волны по напряжению

КНД коэффициент направленного действия

М макет антенны

НО направленный ответвитель

ПА приёмная антенна

Ф угол падения плоской волны

ВВЕДЕНИЕ

Существующие турникетные антенны на сегодняшний день не удовлетворяют характеристикам, предъявляемые к таким антеннам. Они имеют большие габаритные размеры, что увеличивает их парусность и массу, большую неравномерность диаграммы направленности (ДН) и узкую полосу согласования. Такие антенны не технологичны и очень сложны в изготовлении.

Реализация проекта частотно-территориального плана развёртывания покрытия цифрового телевизионного вещания требует замены существующих передающих антенн на более современные антенны. Потребность в новых передающих антеннах непосредственно в РФ составляет несколько тысяч штук. Такие антенны должны обеспечивать передачу сигналов нескольких передатчиков, работающих на разных частотных каналах и перекрывать один или несколько диапазонов телевещания. При этом, как правило, должна обеспечиваться круговая диаграмма направленности. Другим важным параметром для антенны является высокий уровень согласования антенны с фидером в широкой полосе частот.

Принципиальные технические вопросы построения антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости были решены ещё в 30-х годах прошлого столетия. Реализация этих принципов сводилась к тому, что вибраторы располагались либо нормально к оси опоры и питались токами, сдвинутыми относительно друг друга по фазе на угол, равный геометрическому углу между вибраторами, либо располагались параллельно стороне многоугольника (по периметру опоры).

Реализация таких принципов построения передающих антенн была успешно применена в метровом диапазоне частот, но в дециметровом диапазоне частот эти принципы труднореализуемы, т.к. в этом случае

необходимо, чтобы диаметр опоры был небольшой, что существенно снижает прочность конструкции антенны.

Для реализации вещания в дециметровом диапазоне частот применяют следующую конструкцию антенны. Антенны представляет собой 4, 6 или 8 этажную антенную решётку, основание такой антенны представляет собой четырёхугольную ферму, с каждой стороны которой располагают панельные антенны. Возбуждая каждую панель с необходимым сдвигом по фазе, получают круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но с очень плохой неравномерностью и с большими по уровню боковыми лепестками в вертикальной плоскости. Также такая антенны имеет очень большие габаритные размеры, большую массу, сложную конструкцию и сложна в эксплуатации.

Так же применяют антенны, где вибраторы располагаются по кругу опоры. Основным недостатком является то, что такие антенны имеют узкий диапазон согласование антенны с фидером и необходимо настраивать каждую антенну на определённый канал.

Эти примеры, описанные выше, показывают, что предложенные технические решения оказались недостаточными для решения задач осуществления перехода к многопрограммному телевизионному вещанию.

Потребовались новые технические решения, которые позволили бы осуществить цифровое телевизионное вещание в широком диапазоне частот. В связи с этим представляет интерес новый подход к построению передающих антенн в дециметровом диапазоне частот, предложенный в [60]. Основой подхода является то, что несущие опоры антенны вынесены по периметры антенны и могут быть использованы для укладки кабелей. Учтена дифракция электромагнитных волн на металлической полосе, что позволяет получить круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости с высокой равномерностью. При этом антенную решётку оказывается возможным построить из двух металлических пластин, расположенных

перпендикулярно друг другу. Для защиты антенны от атмосферных воздействий предназначен обтекатель, выполненный из стекловолокна, который не влияет на диаграмму направленности.

Обзор антенн для вещания в дециметровом диапазоне частот. Одним из известных вариантов турникетной антенны содержит два взаимно-перпендикулярных горизонтальных вибратора, питаемых со сдвигом по фазе в 90° ([50], [59]). Такая турникетная антенна имеет значительный уровень излучения под большими углами места, что делает их не пригодными в качестве одиночных излучателей для радиовещания и телевидения в диапазоне ультракоротких волн. Такая турникетная антенна имеет недостатки, обусловленные выносом плеч вибратора относительно вертикальной оси антенны:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±1.5дБ;

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенны;

- низкий коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания антенны.

Другая турникетная антенна ([18], [19]), содержит вертикальную опору в виде трубы, первую, вторую, третью и четвёртую плоские прямоугольные пластины, первый и второй фидеры, каждый из которых выполнен из двух коаксиальных кабелей, делителя мощности и крепёжных деталей. Первая и вторая пластины расположены в первой плоскости, проходящей через ось трубы, по разные стороны от трубы так, что одна из кромок параллельна оси

трубы и верхняя угловая точка пластины соединена с трубой с образованием первой и второй короткозамкнутой щелевой линии передачи. Первая и вторая пластина, по существу, служат плечами первого плоскостного вибратора, запитанного первой и второй щелевыми линиями передачи. Третья и четвёртая пластины расположены во второй плоскости, проходящей через ось трубы перпендикулярно к первой плоскости. Третья и четвёртая пластины совместно с трубой образуют третью и четвёртую щелевую линию передачи, питающую второй плоскостной вибратор, образованный третьей и четвёртой пластинами. Каждая щелевая линия передачи возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, расположенного внутри трубы. При этом внешний проводник кабеля гальванически соединён с трубой, а центральный проводник через отверстие в трубе выведен наружу и гальванически соединён с кромкой пластины в нижней угловой точке пластины. Соседние щелевые линии передачи запитаны с 90 градусным сдвигом по фазе относительно друг друга.

Такие антенны применялись в нашей стране на первых телевизионных станциях. Такая турникетная антенна также имеет недостатки:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±1.5дБ [27];

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн диаметр опоры, при его разумном электрическом размере, имеет небольшую величину и поэтому опора не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенны; применение опор большого диаметра приводит к недопустимой неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Указанные выше недостатки обусловлены тем, что опора находится между щелевыми линиями;

мал коэффициент использования поверхности антенны из-за неравномерного распределения тока по поверхности и, как следствие, мал коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания.

Известна ещё одна турникетная антенна, предложенная в [11]. Антенна состоит из опоры, четыре плоских пластины, четырёх перемычек, системы питания. Четыре плоских пластины расположены радиально с интервалом 90° вокруг проводящей трубчатой мачты, служащей опорой антенны. Одна кромка каждой пластины простирается параллельно мачте на близком расстоянии от неё. Эта кромка с помощью перемычек гальванически соединена в своих крайней верхней и крайней нижней точках с мачтой. Кромка каждой из пластин, расположенная вдали от мачты, выполнена с V-образным вырезом. В результате ширина пластины изменяется от одной восьмой длины волны в центре пластины до одной четвёртой длины волны на её концах. Две пластины, расположенные в одной плоскости представляют собой диполь Ж-образной формы. Каждое плечо возбуждается коаксиальным кабелем. Диполи турникетной антенны [18], [19] имеют больший коэффициент направленного действия, чем диполи турникетной антенны описанной в [50], [59].

Однако:

- коэффициент использования поверхности антенны меньше, чем это можно получить, например, при равномерном распределении тока вдоль одной координаты и косинусоидальном распределении тока вдоль другой координаты на поверхности антенны;

- под антенной из Ж-образных вибраторов приходится увеличивать диаметр опоры. Проблема диаметра опоры усугубляется, когда на этой же опоре выше необходимо расположить другие антенны, например, антенны других каналов. При большом разносе плеч Ж-образного вибратора, который

пришлось бы применить из-за большого диаметра опоры, уже невозможно обеспечить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости (неравномерность < 3 дБ), что необходимо для формирования зоны покрытия;

- Антенна имеет высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры;

- Сложна система питания антенны.

Известна ещё одна турникетная антенна [14], выполненная из четырёх треугольных веерообразных излучающих элементов, размещённых вокруг вертикальной мачты. Каждый излучатель монтируется на мачте с помощью двух металлических кронштейнов, имеющих гальванический контакт с излучателями в угловых точках, удалённых от мачты. Излучающие элементы запитаны равной мощностью с относительными фазами 0°, 90°, 180° и 270°. Такая турникетная антенна имеет более широкую полос