Введение к работе
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 длине волны, поделённой на 2.
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:
-
краевой задачи электродинамики применительно к возбуждению антенны в виде двухсторонней щели, выполненной на ленте;
-
разработки компьютерной модели предложенной антенны, обеспечивающей достаточную точность предсказания поведения диаграмм направленности и согласования антенны с фидером;
-
выявления основных закономерностей поведения входного сопротивления антенны посредством численных исследований с применением разработанной компьютерной модели;
-
экспериментальных исследований поведения диаграмм направленности и согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.
Основные методы исследования.
-
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.
-
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.
-
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 решётку, 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.
-
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.
-
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.
-
Разработаны методики по практической реализации устройств возбуждения щелей и их согласования с фидером.
-
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.
-
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.
-
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
-
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.
-
Физическая модель широкополосной турникетной щелевой антенны, основанная на строгом решении задачи дифракции плоской электромагнитной волны на идеально проводящем эллиптическом цилиндре.
-
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.
-
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 [6]; выведены формулы для амплитудных и фазовых диаграмм и разработана программа по их расчёту [1]; вывод формулы для расчёта диаграммы направленности щелевой антенны с учётом влияния поля дифракции плоской волны на идеально проводящей пластине [2]; разработана программа для расчёта диаграммы направленности щелевой антенны, анализ получившихся результатов [3].
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.
