Материал: Электродинамические характеристики открытых резонаторно-возбуждаемых антенн. Николаев В.И., Ряховский А.С

Резонаторно-возбуждаемая антенна позволяет подобрать нужную форму ДН путём изменения поперечного размера и ширины излучающей поверхности L.

З ависимость КНД антенного устройства от ширины излучающей поверхности L при различных высотах резонатора показана на рис. 3.7.

Из графиков видно,что КНД максимален при L = 0.5 λ. При L = 0.6 λ .. 0.9 λ КНД имеет спад до ~ 2.5 дБ.

Зависимость угла раскрыва ДН в азимутальной плоскости φ от ширины излучающей поверхности L при различных высотах резонатора показана на рис. 3.8.

Зависимость угла раскрыва ДН в вертикальной плоскости θ от ширины излучающей поверхности L при различных высотах резонатора показана на рис. 3.9.

При L = 0.5 λ ДН в вертикальной плоскости имеет минимальную ширину. При L = 0.6 λ .. 0.9 λ ДН максимально широкая и к 1 λ опять несколько сужается.

Резонаторно-возбуждаемые антенные устройства с секториальной ДН с шириной излучающей поверхности L = 0.5 λ .. 1 λ позволяют выбрать оптимальную для данных эксплуатационных требований ДН в азимутальной плоскости шириной от ~ 80º до ~ 50º. В антеннах стационарных БС можно реализовать ДН с максимальным КНД и минимальной шириной в вертикальной плоскости порядка 20º. Для антенн подвижных объектов при необходимости быстрого развертывания в условиях пересеченной местности для работы на склонах можно подобрать более широкую ДН в вертикальной плоскости, что позволит снизить требования к точности установки антенны по вертикали.

3.6. Всенаправленное в азимутальной плоскости антенное устройство (Omni)

Несмотря на наблюдающийся в последние годы бурный рост числа абонентов систем подвижной связи (в основном, сотовых систем), влекущий за собой необходимость принятия технических решений, повышающих ёмкость абонентской сети, в первую очередь, применение на базовых станциях (БС) антенных устройств с секториальной диаграммой направленности (ДН), остаётся ещё и будет, вероятно, оставаться в течение длительного времени немало обслуживаемых территорий с небольшой плотностью абонентов для которых применение на БС антенных устройств с круговой ДН будет целесообразным. В то же время, в таких системах, как всегда, актуальна проблема энергетики радиолинии, решить которую можно применением эффективных антенн, обладающих узкой ДН в вертикальной плоскости (20º и менее). Также, исходя из географии обслуживаемой территории, могут быть востребованы антенные устройства с ДН в азимутальной плоскости, отличающейся от круговой. Это могут быть, в частности, слабонаправленные антенны с ДН овальной формы, напоминающей круг, в котором БС расположена не в центре круга.

Применяемые в настоящее время методы сужения ДН в вертикальной плоскости сводятся, в основном, к использованию вертикальных решёток однотипных антенн или к применению решёток источников возбуждения (электрических вибраторов). Такие решётки представляют собой сложные конструкции со сложной системой питания источников возбуждения, требующей применения большого числа делителей мощности.

Альтернативным методом сужения ДН в вертикальной плоскости может стать метод формирования ДН, характерный для резонаторно-возбуждаемой антенны. Антенны такого типа могут представлять собой резонатор в виде системы проводников, расположенных на воображаемой вертикальной цилиндрической поверхности и окружающих источник возбуждения (электрический вибратор). При определенных геометрических соотношениях в такой структуре может иметь место распространение электромагнитной энергии вдоль структуры с частичным излучением через вырезы. При этом амплитудно-фазовое распределение напряженности электромагнитного поля в вырезах таково, что создаются благоприятные условия для сужения ДН в вертикальной плоскости. В азимутальной плоскости, в зависимости от геометрии резонатора, диаграмма может быть круговой либо иметь какие-то преимущественные направления.

Общий вид антенного устройства представлен на рис. 3.10 а). Резонатор в общем случае выполнен в виде проводников разной ширины, расположенных на разном расстоянии от источника возбуждения. Практически же, скорее всего, исходя из конструктивных и электрических соображений, проводники резонатора должны лежать на круговой цилиндрической поверхности на одинаковом удалении от источника возбуждения (рис. 3.10 б)). Такая конструкция резонатора более технологична в изготовлении, и антенна с таким резонатором легче в настройке.

Хотя для получения каких-то специальных эффектов, например, при работе одновременно на нескольких частотах, в случае резонатора из проводников, расположенных на разном удалении от источника возбуждения, можно получить на каждой частоте свою диаграмму, в том числе и в азимутальной плоскости.

Характеристики антенного устройства с резонатором из равноудалённых от источника возбуждения проводников при различных диаметрах структуры D показаны на рис. 3.11.

Из графика видно, что коэффициент направленного действия КНД имеет тенденцию к росту при увеличении числа элементов резонатора N в диапазоне диаметров D антенны от 0.6 λ до 0.7 λ.

Типичные диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях при числе проводников N = 4 показаны на рис. 3.12.

Для данного класса антенн есть ярко выраженная область допустимых значений диаметра D. Его значение в некоторой степени связано с числом элементов резонатора N .

Так, для получения максимального КНД при N = 4 следует выбирать D ~ 0.55 λ, при N = 6 D ~ 0.58 λ, при N = 8 D ~ 0.63 λ, и при N = 10 следует брать D ~ 0.65 λ. Причём, чем больше число элементов резонатора, тем выше требования к точности выбора диаметра антенны и тем уже диапазон частот, в котором ДН сохраняет приемлемую форму.

Что касается высоты антенны H, то увеличивать её на величину более 3 λ практически нет смысла.

Применением резонатора, состоящего из широких проводников можно заметно повысить КНД антенны. Антенна с резонатором из проводников с угловой шириной 30º, расположенных с угловым интервалом 30º имеет КНД около 9 дБ.

3.7. Антенные устройства с двумя направлениями излучения

Метод формирования диаграммы направленности, реализованный в антеннах кругового облучения, позволяет получать ДН в азимутальной плоскости от круговой до секторной или многосекторной варьированием геометрии резонатора при сохранении узкой ДН в вертикальной плоскости. Это удобно для адаптации ДН антенн базовых станций систем подвижной связи применительно к конкретным условиям расположения обслуживаемой территории. Для протяжённых в одном направлении зон обслуживания (населённые пункты, расположенные вдоль рек, вдоль железных или автомобильных дорог и т.д.) могут быть востребованы антенны БС с двухсекторной ДН.

Такая антенна, например, может представлять собой электрический вибратор, окружённый металлической цилиндрической поверхностью с вырезанными вдоль образующей частями на диаметрально противоположных сторонах как показано на рис. 3.13.

На рис. 3.14 показана зависимость коэффициента направленного действия такой антенны от высоты H при различных углах раскрыва β.

Максимальный КНД такой антенны равен примерно 9 дБ при β = 40º и β = 80º.

На рис. 3.15 представлена диаграмма направленности антенны с β = 80º, H = 4 λ.

Если в данном сплошном резонаторе оставить только один вырез, то антенна эволюционирует в базовый вариант резонаторно-возбуждаемой антенны. Это антенна уже с секториальной ДН и КНД её может превышать 12 дБ.

3.8. Метод разделительного экрана для формирования диаграммы направленности резонаторно-возбуждаемых антенн

Антенные устройства резонаторного возбуждения позволяют резко упростить конструкцию антенн, сведя её фактически к двум элементам – резонатору и источнику возбуждения. Реализованный в них метод обеспечивает ДН, узкую в вертикальной плоскости (~20º и менее) и секторную или двух- или более- секторную в азимутальной плоскости.

Варьируя ширину излучающей поверхности, можно получить различную ширину ДН в азимутальной плоскости. При этом при уменьшении ширины излучающей поверхности угол раскрыва ДН увеличивается, а при увеличении диаграмма направленности, наоборот, сужается в азимутальной плоскости. Такое свойство антенн этого класса можно использовать для построения более направленных антенн в азимутальной плоскости. Но при этом ДН расширяется в вертикальной плоскости, и КНД не увеличивается.

Метод разделительного экрана позволяет увеличить КНД антенного устройства на величину до 3 дБ, не меняя его габариты. Общий вид антенного устройства показан на рис. 3.16.

За основу в данной антенне взят базовый вариант резонаторно-возбуждаемой антенны, у которой поперечный размер и ширина излучающей поверхности увеличены вдвое до (0.6 ÷ 1.4) λ. Но при этом в вертикальной плоскости ДН соответственно расширяется. Разделительный экран, располагаемый в плоскости симметрии, позволяет разделить излучающую поверхность на две синфазно возбуждаемые апертуры. Каждая половина антенны имеет электрические характеристики, идентичные характеристикам антенны-прототипа и совместно они образуют горизонтальную решётку. ДН в E-плоскости идентична ДН антенны-прототипа (т.е. ~20º и менее), а в H-плоскости сужается вдвое и составляет величину 30º- 60º в зависимости от геометрических размеров антенны. КНД увеличивается на 3 дБ и достигает величины 15-17 дБ.

Форма и размеры резонатора, а также форма, размеры и местоположение разделительного экрана оказывают заметное влияние на характеристики антенного устройства. Кроме того, при практическом построении антенн приходится, как известно, решать ряд сопутствующих, в частности, конструктивных задач: ограничения на габариты, ветроустойчивость и т.д. Поэтому поиск оптимальной геометрии антенн представляет собой весьма важную задачу.

Подбором формы резонатора и ширины разделительного экрана можно добиться величины КНД более 16 дБ.

Например, для структуры, показанной на рис. 3.17,

з ависимость КНД антенного устройства от высоты антенны H при различном удалении d разделительного экрана от источника возбуждения показана на рис. 3.18.

Графики показывают, что КНД имеет устойчивую тенденцию к росту в зависимости от высоты антенны H при удалении задней кромки разделительного экрана от источника возбуждения d порядка (0.18 - 0.25) λ. При этом можно ограничиться высотой антенны H ~ 4 λ. При меньших значениях d зависимость КНД от H имеет колебательный характер, а при больших, начиная с высоты H = 2.5 λ, КНД не увеличивается.

Зависимость КНД антенного устройства от высоты H при различной продольной длине резонатора R показана на рис. 3.19.

График показывает, что КНД антенны при величинах R < 0.625 λ не растёт существенно, начиная с H ~ (2.5 -3) λ. КНД максимален при H > 0.75 λ.

Для данного антенного устройства максимальный КНД антенны достигается при применении резонатора высотой H ~ 4 λ, длиной в направлении излучения R ~ 0.75 λ и разделительного экрана с расстоянием его задней кромки от источника возбуждения d ~ 0.19 λ.