ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ ЦЕПИ 8
1.1 ПАССИВНЫЕ ЦЕПИ (СХЕМА ФОСТЕРА) 8
1.2 АКТИВНЫЕ ЦЕПИ (НЕФОСТЕРОВСКИЕ) 11
1.2.1 СХЕМА ЛИНВЕЛЛА 12
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛАЯ АНТЕННА 15
2.1 ВЫБОР И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕННЫ 17
2.2 УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ АНТЕННЫ С ПОМОЩЬЮ НЕФОСТЕРОВСКОЙ ЦЕПИ НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО
УСИЛИТЕЛЯ 21
2.3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ АНТЕННЫ,
РАБОТАЮЩЕЙ НА ЧАСТОТЕ 36 МГЦ 25
2.3.1 МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ С ПОМОЩЬЮ
ФОТОРЕЗИСТА 25
2.4 ПОЛУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ
АНТЕННЫ 36 МГЦ 32
2.5 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ АНТЕННЫ .. 37
3 УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ ПАССИВНЫМ И АКТИВНЫМ
МЕТОДОМ 42
3.1 УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ С ПОМОЩЬЮ ИНДУКТИВНОСТИ 42
3.2 УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО
КОНТУРА 46
3.3 АНАЛИЗ, ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ПО МЕТОДАМ
УВЕЛИЧЕНИЯ ПОЛОСЫ ПАССИВНЫМИ МЕТОДАМИ 51
3.4 УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ АКТИВНЫМ МЕТОДОМ 53
3.5 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ АНТЕННЫ С ПОДКЛЮЧЕННОЙ НЕФОСТЕРОВСКОЙ ЦЕПЬЮ 58
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕФОСТЕРОВСКОЙ ЦЕПИ
С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ АНТЕННОЙ 36МГЦ 59
4.1 СНЯТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛОЙ АНТЕННЫ С НЕФОСТЕРОВСКОЙ ЦЕПЬЮ .. 61 4.2 СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ НЕФОСТЕРОВСКОЙ
ЦЕПИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 72
В последнее время, существует большая необходимость в электрически малых антеннах для беспроводных гражданских, а также военных коммуникационных систем, т.к. с развитием технологий, идёт процесс миниатюризации различных технологических устройств, предлагаются новые схемы и конструкции, которые позволяют заменить старые радиоустройства, размеры которых не актуальны в настоящее время. Примером является такое устройство, как “Гиратор”, которое позволяет сымитировать индуктивность, при этом размеры такого устройства будут значительно меньше обычной катушки индуктивности (в зависимости от номинала). А системы беспроводной связи (антенны) не являются исключением, т.к. в зависимости от частоты, полосы частот и других особенностей, антенны могут иметь значительные размеры, поэтому к ним также стоит применять различные конструктивные и схемотехнические особенности для миниатюризации.
Относительно недавно спросом стали пользоваться антенны, размеры которых намного меньше, чем длина волны или, когда максимальный размер антенны, не превышает 12.5% от длины волны, такие антенны называют электрически малыми антеннами (ЭМА).
Благодаря электрически малым антеннам пропадает проблема миниатюризации беспроводных коммуникационных систем, но появляется другая - узкая рабочая полоса частот. Такие антенны имеют высокую добротность, а значит согласовать её традиционными методами, такими как: последовательно включенная индуктивность, или с помощью колебательного контура, возможно только в узкой полосе частот, а попытки согласовать ЭМА в широкой полосе, используя эти методы, будут неэффективны, согласно Фано [5]. Для такого случая были придуманы “Нефостеровские цепи”, которые позволяют увеличить полосу частот электрически малой антенны. Эти цепи способны создать емкость с отрицательным знаком, тем самым компенсируя емкостное реактивное сопротивление электрически малой антенны. Основой “Нефостеровских цепей” является конвертор отрицательного сопротивления (КОС).
В данной работе приведены следующее результаты:
а) разработка электрически малой антенны;
б) снятие характеристик электрически малой антенны;
в) исследование традиционных методов увеличения полосы рабочих частот (индуктивностью и с помощью колебательного контура);
г) разработка “Нефостеровской цепи”;
д) экспериментальное тестирование “Нефостеровской цепи” на электрически малой антенне.
В данной работе был исследован метод увеличения полосы частот с помощью нефостеровской цепи, а также пассивные методы увеличения полосы:
а) с помощью индуктивности;
б) с помощью колебательных контуров.
Главная задача данной выпускной квалификационной работы - создание отрицательной емкости, чтобы компенсировать реактивную составляющую входного сопротивления электрически малой антенны. Как показали результаты теоретических и реальных исследований ЭМА с нефостеровской цепью, задача была выполнена успешно.
Активный метод согласования в несколько раз эффективнее, чем пассивный. Анализ результатов показал, что нефостеровская цепь увеличила полосу электрически малой антенны в 60,347 раз. Индуктивность увеличила полосу частот ЭМА в 1,367 раза, а колебательный контур увеличил полосу частот в 2,245 раза.
Если сравнить пассивные методы между собой, то можно сказать, что колебательный контур можно использовать на практике, как устройство для увеличения полосы частот, так как он увеличил полосу частот не меньше, чем в 2 раза, а значит, может быть полезен в некоторых случаях. А индуктивность можно использовать, если требуется улучшить согласование в одной частотной точке, так как с её помощью не удалось увеличить полосу даже в 1,5 раза. А что касается активного метода увеличения полосы частот с помощью нефостеровской цепи, данный метод превысил ожидания в десятки раз. Необходимо дальше исследовать данную тему, чтобы находить ошибки, минусы и корректировать их.
Данную цепь следует протестировать на анализаторе спектра, чтобы узнать коэффициент передачи сигнала с передающей широкополосной антенны, которая может передавать сигнал на частотах от 10 МГц и выше. Это необходимо для того, чтобы полностью убедиться в работоспособности данной нефостеровской цепи. Если сигнал от передающей антенны сможет поступать на приемную электрически малую, которая использовалась в данной работе, с хорошим коэффициентом передачи по всем исследуемом в данной работе диапазоне частот, то можно будет уверенно сказать, что нефостеровская цепь работает правильно.
