Здесь уместно провести некоторую аналогию с элементарным вибратором, который, как известно, сохраняет форму своей ДН в диапазоне частот от нуля до рабочей частоты.

Итак, основные характеристики данной антенны таковы.

Во всех случаях для получения максимального КНД достаточно ограничиться высотой резонатора H ~ 3 ÷ 4 λ. Ширина вырезанной части (излучающая поверхность) должна составлять величину порядка 0.5 λ. Расстояние от источника возбуждения до задней стенки резонатора d = 0.3 λ.

Диаметр кругового цилиндра должен быть около 0.7 λ.

КНД может превышать 12 дБ. Ширина ДН в E– плоскости φ ~ 80º, в H– плоскости θ ~ 20º.

Если диаметр кругового цилиндрического резонатора равен D ~ 0.7 λ, то положение источника возбуждения внутри резонатора практически не влияет на ДН антенны. Источник возбуждения может располагаться в любом месте внутри резонатора.

Металлизация торцевых поверхностей цилиндрического резонатора увеличивает КНД антенны только при малых высотах резонатора H < 2 λ. При H > 2 λ металлизация торцов не влияет на ДН.

ДН резонаторно-возбуждаемой антенны остаётся однолепестковой в E- и H- плоскостях в диапазоне частот от 0 до рабочей частоты, испытывая плавный переход ДН от ДН элементарного электрического вибратора до секториальной.

Резонаторно-возбуждаемые антенны с другой формой цилиндрической поверхности (эллиптической, прямоугольной, ромбовидной и т.д.) в принципе, имеют характеристики, близкие к характеристикам антенны с круговой формой цилиндрического резонатора. Варьируя размеры и форму, можно добиться некоторого увеличения КНД – до 2 дБ.

3.2. Влияние длины электрического вибратора на электродинамические параметры резонаторно-возбуждаемых антенн

Наиболее часто рассматриваемые в технической литературе в качестве источников возбуждения тонкие полуволновые электрические вибраторы не являются оптимальными в смысле КНД. Для электрических вибраторов в свободном пространстве, как известно, оптимальной является длина 0.625 λ. Для вибраторов, окружённых металлической поверхностью, эта величина имеет другие значения. Так, для уголковой антенны применение электрических вибраторов длиной до 1 λ может дать выигрыш в КНД до 2 дБ. Аналогичный выигрыш, очевидно, следует ожидать и для исследуемой резонаторно-возбуждаемой антенны с секториальной диаграммой направленности. И, хотя согласование таких антенн представляет заметные трудности, в отдельных случаях применение волновых электрических вибраторов может быть оправдано.

Зависимость КНД антенны от длины электрического вибратора l_вибр при угле раскрыва антенны β = 80º показана на рис. 3.1. Видно, что КНД антенны плавно увеличивается на 2 дБ при увеличении длины вибратора от 0.5 λ до 1 λ.

3.3. Применение в резонаторно-возбуждаемой антенне в качестве источника возбуждения коллинеарно расположенных электрических вибраторов

Часто используемый способ увеличения КНД антенных устройств - применение в качестве источника возбуждения решёток коллинеарно расположенных электрических вибраторов – также эффективен и для исследуемой антенны резонаторного возбуждения. Оптимальное в смысле увеличения КНД антенного устройства расстояние между вибраторами зависит от геометрии применённого резонатора.

Кривые на рисунке 3.2 показывают зависимость КНД антенны при угловой ширине вырезанной в цилиндрической поверхности части β = 40º, 80º и 120º и высоте резонатора H = 4 λ.

Горизонтальными линиями показано значение КНД антенны с одним вибратором. Для β = 40º КНД равен 10.43 дБ, для β = 80º КНД равен 11.84 дБ, а для β = 120º – 10.56 дБ.

Из графика видно, что, например, для β = 80º выигрыш составляет ~ 1.8 дБ при расстоянии между концами вибраторов b = 1.4 λ. Коэффициент направленного действия равен 13.68 дБ.

3.4. Влияние электрических проводников, находящихся перед источником возбуждения, на электродинамические параметры антенн

Одним из направлений поиска простых и недорогих способов улучшения параметров апертурных антенн является использование дополнительных тел, находящихся в поле излучения. Известны успешные попытки использовать, например, для снижения уровня боковых лепестков металлические проводники в виде тонких проволок или металлических полосок, находящиеся в раскрыве апертурной антенны. Так, экспериментально установлено, что для зеркальной параболической антенны P2F_23_NXA полоски, расположенные на расстоянии (1,20 ÷ 1,36) λ от оси симметрии антенны, снижают уровень боковых лепестков с -13 дБ до -22 дБ. При этом параметры главного лепестка остаются практически неизменными.

Кроме того, проводник, находящийся в поле излучения, можно использовать для повышения КНД апертурных антенн. Этот способ предложено использовать для резонаторно-возбуждаемых антенн.

3. Пути улучшения электродинамических характеристик базового варианта резонаторно-возбуждаемой антенны

3.1. Требования к антенным устройствам подвижной и сотовой связи

Многообразие систем подвижной радиосвязи УВЧ–СВЧ диапазона и различия в условиях их применения естественным образом ведут к тому, что требования к электрическим характеристикам применяемых в них антенных устройств весьма различны в конкретных реализациях СПР (систем подвижной радиосвязи). Поэтому проблема выбора тактически, технически и экономически наиболее приемлемого варианта построения антенных устройств и систем является актуальной.

Требования к диаграмме направленности антенных устройств для узкополосной радиосвязи и систем с расширенным спектром (до 30%) могут варьироваться от круговой в азимутальной плоскости до остронаправленной секторной.

Антенны с круговой ДН (Omni) чаще необходимы для нестационарных объектов, меняющих своё положение в том числе и во время сеанса радиосвязи, а также на базовых станциях сотовых и корпоративных систем с небольшим числом абонентов при их равномерном распределении вокруг базовой станции. При этом антенные устройства базовых станций должны иметь повышенный коэффициент усиления и, соответственно, узкую ДН в вертикальной плоскости (для антенн, размещаемых на зданиях или на высоких мачтах также желателен наклон ДН в вертикальной плоскости). Что касается антенн подвижных объектов, то из-за непредсказуемости положения подвижных объектов в вертикальной плоскости (на склонах гор, холмов и т.д.) их ДН в вертикальной плоскости не должны быть слишком узкими. (Кстати, это относится и к секторным антеннам).

Антенны с секториальной ДН в азимутальной плоскости могут применяться в стационарных (неподвижных) объектах радиосвязи с заранее определённым направлением прихода сигнала и на базовых станциях сотовой связи для обеспечения кругового облучения несколькими антеннами с секториальной ДН или в случае секторной организации сот, а также в случаях расположения абонентов на вытянутых участках местности (например, в протяжённых населённых пунктах, расположенных вдоль рек, вдоль железных или автомобильных дорог). Требования к ДН в вертикальной плоскости такие же, как и для Omni-антенн.

В аналогичных случаях размещения абонентов могут применяться двухсекторные антенны с противоположным направлением излучения. В специальных случаях антенны БС систем связи могут иметь, например, двухсекторную ДН с направлениями излучения, составляющими угол, отличающийся от 180º. Или трёхсекторную ДН.

Базовая модель резонаторно-возбуждаемой антенны с секториальной ДН имеет хороший потенциал развития и улучшения электрических параметров. На её основе предложен ряд антенн, имеющих повышенный КНД. Особым и очень эффективным способом повышения КНД антенн вторичного излучения является предложенный метод разделительного экрана для антенных устройств с шириной апертуры более 0.5 λ в азимутальной плоскости. Метод основан на разделении (при помощи металлической поверхности, располагаемой в вертикальной плоскости симметрии внутри резонатора или рефлектора) потока электромагнитной энергии в азимутальной плоскости на две или более частей (апертур) с одинаковым распределением электромагнитного поля. В зависимости от исходной ширины апертуры антенны введение разделительного экрана внутрь рефлектора (резонатора) может увеличить КНД антенны на величину до 3 дБ для базового варианта антенны с первоначальной шириной апертуры 1 λ. Для уголковой антенны с большим размером рефлектора отмечен прирост КНД на величину до 5 дБ. При этом полоса рабочих частот, несмотря на сужение, остаётся достаточной для узкополосной связи.

Все предложенные антенны представляют ряд (семейство) антенных устройств, позволяющих выбрать технически наиболее приемлемый и экономически наиболее выгодный вариант антенного устройства для данных конкретных условий применения и эксплуатации системы связи.

Для системы из двух проводников (электрических вибраторов) решение для электромагнитного поля (например, методом наведенных э.д.с.), давно существует и хорошо исследовано. В отличие от свободного пространства, наличие третьего тела (цилиндрической поверхности, окаймляющей систему вибратор - проводник) придаёт влиянию проводника на параметры антенны несколько другой характер. Дополнительный проводник изменяет распределение электромагнитного поля вдоль излучающей поверхности, делая его более равномерным, что приводит к сужению ДН в вертикальной плоскости (E-плоскости) и увеличению коэффициента направленного действия. Внешний вид такой антенны показан на рис. 3.3. На рис. 3.3 а) показан вид сбоку, на рис. 3.3 б) – вид сверху.

Для антенного устройства с высотой резонатора H = 3 λ, угловом размере вырезанной в цилиндрической поверхности части β = 80º, длине вибратора l_вибр = 0.5 λ зависимость КНД антенны от длины дополнительного проводника l_доп и расстояния между источником возбуждения и дополнительным проводником g показана на рис. 3.4.

Горизонтальной прямой отмечено значение КНД без дополнительного проводника.

Из графиков видно, что наибольший прирост КНД составляет ~1.5 дБ при длине дополнительного проводника l_доп = 0.5 λ, находящемся на удалении 0.2 λ от источника возбуждения.

КНД

l_доп = 0.5 λ

11.47 дБ

а)

g ,λ

Рис. 3.4. Зависимость КНД антенны от расстояния g ,λ

между вибратором и дополнительным проводником при H = 3λ

3.5. Влияние дополнительных экранов, расположенных по бокам цилиндрического резонатора, на параметры резонаторно-возбуждаемой антенны

Способ увеличения КНД базовой модели антенного устройства резонаторного возбуждения с дополнительными экранами по бокам основного резонатора является удачным, так как позволяет увеличить КНД антенны без ухудшения согласования.

Внешний вид антенного устройства показан на рис. 3.5 а). Оно содержит резонатор 2 в виде цилиндрической поверхности с вырезанной вдоль образующей частью, внутри которого помещён источник возбуждения – электрический вибратор 1. По обеим сторонам вырезанной части цилиндрической поверхности резонатора 2 установлен дополнительный рефлектор. Это приводит к уменьшению затекания токов на внешнюю поверхность цилиндрической поверхности (при большой ширине затекание отсутствует) и тем самым уменьшает излучение в направлениях, отличных от главного. КНД антенны возрастает. Причём, эффект увеличения КНД наблюдается даже при сравнительно небольших размерах дополнительного рефлектора

На рис. 3.5 б) показан частный случай выполнения антенного устройства с дополнительным рефлектором, представляющим собой плоскости, расположенные ортогонально направлению излучения (вид сверху).

На рис. 3.5 в) показан частный случай выполнения антенного устройства с дополнительным рефлектором, представляющим собой плоскости, расположенные под углом к направлению излучения (вид сверху).

На рис. 3.6 показана зависимость КНД антенны от ширины s дополнительного рефлектора, расположенного ортогонально направлению излучения. Моделирование проводилось для антенного устройства высотой H от 1 λ до 4 λ, угловом размере вырезанной в цилиндрической поверхности части β = 80º.

Максимальный выигрыш в КНД при H = 4 λ составляет величину около 2 дБ.

Применение дополнительных экранов, располагаемых по бокам от вырезанной части резонатора, эффективно, начиная с высоты резонатора H = 2 λ, и тем более выражено, чем больше H. В случае расположения рефлектора ортогонально направлению излучения при H = 4 λ выигрыш в КНД приближается к 2 дБ. При этом, начиная с ширины дополнительного рефлектора s = 0.3 λ, рост КНД замедляется. Эту величину ширины дополнительного рефлектора можно считать достаточной для практических целей.

3.5. Влияние ширины излучающей поверхности на характеристики резонаторно-возбуждаемой антенны

Выбор формы диаграммы направленности антенны зависит от конкретных условий применения средств радиосвязи. Если при этом, независимо от формы ДН в азимутальной плоскости, для базовых станций систем радиосвязи чаще всего общим является требование сужения ДН в вертикальной плоскости, то для подвижных объектов, в силу их неопределённого и меняющегося положения в вертикальной плоскости, наклона по крену и тангажу транспортных средств во время движения и на стоянках, скорее требуется расширенная ДН в вертикальной плоскости (даже в ущерб КНД). При этом из энергетических соображений и требований электромагнитной совместимости часто желательно иметь секториальную ДН в азимутальной плоскости с небольшим углом раскрыва ДН.