Т ипичная диаграмма направленности антенного устройства в азимутальной и вертикальной плоскостях показана на рис. 3.20. Угол раскрыва ДН в азимутальной плоскости φ ~ 50º, в вертикальной θ ~ 19º.

Из графика хорошо видно, что по сравнению с базовым вариантом диаграмма в вертикальной плоскости остаётся неизменной, а в горизонтальной плоскости сужается вдвое.

Число разделительных экранов при соответствующем увеличении ширины антенны можно увеличить. Например, антенна с тремя разделительными экранами и прямоугольным резонатором, показанная на рис. 3.21 (вид сверху), имеет ДН с одинаковой шириной в азимутальной и вертикальной плоскости ~20º и КНД до 20 дБ.

Предложенный метод формирования ДН при помощи разделительного экрана, расположенного в вертикальной плоскости симметрии, в применении к антеннам на основе цилиндрического резонатора с открытой боковой стенкой позволяет конструктивно просто решить проблему построения эффективных антенн с секториальной диаграммой направленности. Антенные устройства, реализующие этот метод, содержат минимальное количество элементов (источник возбуждения, резонатор, разделительный экран), просты в изготовлении, настройке, имеют высокие электродинамические характеристики и могут использоваться в БС систем подвижной и сотовой связи.

3.9. Метод разделительного экрана для формирования диаграммы направленности уголковой антенны

Метод разделительного экрана для формирования диаграммы направленности (ДН) антенных устройств на основе цилиндрической незамкнутой поверхности, возбуждаемой электрическими вибраторами, может быть использован и для других типов антенн, которые можно рассматривать как антенны вторичного излучения. При этом улучшение параметров антенных устройств достигается введением в вертикальную плоскость симметрии разделительного экрана, образующего две синфазно возбуждаемые апертуры, т.е. достаточно простым способом, не требующим применения решёток однотипных антенн или источников возбуждения со сложной схемой питания. Широко известная уголковая антенна хорошо подходит для реализации этого метода.

Обладая хорошими электродинамическими параметрами и конструктивно простая, эта антенна не относится к разряду малогабаритных. Применение разделительного экрана в ней позволяет более эффективно использовать занимаемый ею достаточно большой объём. Внешний вид уголковой антенны с разделительным экраном показан на рис. 3.22.

Приведённые на рис. 3.23 графики зависимости КНД от высоты антенны при угле раскрыва антенны β = 45º и длине рефлектора L = 2 λ показывают существенное преимущество уголковой антенны с разделительным экраном по сравнению с традиционной.

Выигрыш от применения разделительного экрана при различных высотах рефлектора показан на рис. 3.24.

Из графиков видно, что выигрыш в КНД от разделительного экрана при высоте рефлектора ~ 4 λ может достигать величины порядка 5 дБ.

Диаграммы направленности для традиционной уголковой антенны и уголковой антенны с разделительным экраном приведены на рис. 3.25 – 3.28.

Итак, применение разделительного экрана в уголковой антенне при высоте H > 2 λ даёт выигрыш в КНД порядка 3-5 дБ. В отличие от антенного устройства с разделительным экраном на основе незамкнутой цилиндрической поверхности, сужение ДН происходит, в основном, не в азимутальной, а в вертикальной плоскости. Несмотря на несколько повышенный уровень боковых лепестков обусловленный различным направлением двух излучающих поверхностей, образованных в уголковой антенне при помощи разделительного экрана, КНД антенны может достигать величины по крайней мере ~ 17-19 дБ в зависимости от геометрических размеров. При этом, применение разделительного экрана не приводит к увеличению габаритов, и вся антенна состоит лишь из трёх элементов: источника возбуждения, уголкового рефлектора и разделительного экрана.

3.10. Резонаторно-возбуждаемая антенна с угло-частотной зависимостью диаграммы направленности

На практике часто существует необходимость обеспечения связи с корреспондентами, расположенными в различных направлениях в азимутальной плоскости.

При достаточном запасе по энергетике и при отсутствии требований к скрытности сеанса радиосвязи для этой цели могут использоваться антенны с круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости или слабонаправленные антенны. При недостаточном запасе по энергетике или по другим соображениям (например, для обеспечения электромагнитной совместимости) – антенны с секториальной ДН в азимутальной плоскости с электрическим или механическим сканированием. Одним из способов электрического сканирования является обеспечение поворота главного лепестка ДН при изменении частоты. Электрическое сканирование посредством изменения частоты, вообще говоря, находит применение в радиолокации, но для связи между стационарными объектами оно, несмотря на некоторую экзотичность, тоже может найти применение.

Этот способ имеет то преимущество, что изменение направления излучения происходит мгновенно с изменением частоты.

Резонаторно-возбуждаемая антенна, в принципе, позволяет обеспечить угло-частотную зависимость ДН. Для этого в таких антеннах следует использовать цилиндрический резонатор с широкой вырезанной частью – порядка (1 ÷ 2) λ.

Возможны варианты построения антенн такого типа:

а) с несимметричным в горизонтальной плоскости резонатором и симметрично расположенным источником возбуждения;

б) с симметричным резонатором и несимметричным относительно вертикальной плоскости симметрии расположением источника возбуждения.

При такой геометрической и электрической несимметрии антенны различный набег фаз в разных частях апертуры приведёт к повороту ДН в H-плоскости. Причём, на разных частотах этот поворот будет различным.

Для иллюстрации принципиальной возможности поворота ДН посредством изменения частоты проводилось моделирование резонаторно-возбуждаемой антенны с резонатором квазиэллиптической формы, аппроксимированным пятью плоскостями. Источник возбуждения располагался несимметрично относительно вертикальной плоскости симметрии (рис. 3.29).

Форма диаграммы направленности, КНД антенны и уровень боковых лепестков существенно зависят от частоты.

Максимальная величина угла поворота ДН составляет величину порядка 50º.

Н а рис. 3.30 - 3.31 показаны диаграммы направленности антенны при предельных значениях углов поворота направления излучения.

В диапазоне частот 0.73 f₀ ÷ 1.27 f₀, т.е. в наиболее вероятном диапазоне работы, поскольку в этом случае легче обеспечить согласование, угол поворота составляет ~ 24º. Направление излучения меняется от 14º при f = 0.73 f₀ до -10º при f = 1.27 f₀. Значение КНД находится в пределах (10.9 ÷ 11.4) дБ.

При этом отмечена существенная зависимость формы ДН от частоты. Меняется как форма ДН, так и ширина главного лепестка. Уровень боковых лепестков также сильно зависит от частоты, меняясь от -7 дБ при f = 2 f₀ до -13 дБ при f = 0.73 f₀. Главный лепесток практически симметричен относительно направления излучения, в то время как боковые лепестки расположены явно несимметрично.

Следует отметить, что в верхней части рассматриваемого диапазона существуют участки, где ДН раздваивается в H-плоскости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие современных средств связи УВЧ-СВЧ диапазона требует разработки антенных устройств, сочетающих в себе малые габариты, предельно возможные характеристики, простоту изготовления и настройки со специальной формой диаграммы направленности, зависящей от конкретных условий эксплуатации. В зависимости от структуры создаваемой системы связи могут быть востребованы направленные в вертикальной плоскости антенные устройства с диаграммой направленности в азимутальной плоскости от одно- или двухсекторной до круговой. Открытая апертурная резонаторно-возбуждаемая антенна обладает широким спектром требуемых качеств, знание которых поможет при оптимальном выборе антенных устройств для создаваемых систем связи.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. - М: Радио и связь, 1983 .- 295 с.

2. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы / Л.А. Вайнштейн. - М.: Советское радио, 1966 .- 475 с.

3. Николаев В.И. Системы и средства сухопутной подвижной связи / В.И. Николаев, С.С. Гремяченский. - Воронеж: ВГТУ, 2001. - 209 с.

Оглавление

Предисловие 3

Введение 4

1. Математическая модель базового варианта

резонаторно-возбуждаемой антенны 19

2. Электродинамические параметры базового

варианта резонаторно-возбуждаемой антенны 32

3. Пути улучшения электродинамических

характеристик базового варианта резонаторно-

возбуждаемой антенны 42

Заключение 74

Библиографический список 75

Учебное издание

Николаев Валерий Иванович

Ряховский Александр Семёнович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТКРЫТЫХ РЕЗОНАТОРНО-ВОЗБУЖДАЕМЫХ АНТЕНН

В авторской редакции

Подписано к изданию 12.03.2013.

Объем данных 4,0 Мб.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»

394026 Воронеж, Московский просп., 14

82