ЧАСТОТНЫЕ ИМПЕДАНСНЫЕ И НАПРАВЛЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОВОЛОЧНЫХ МОДЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННЫХ АНТЕНН
|
Введение
1. Основные параметры излучателей электрического типа 9
1.1 Характеристики направленности короткого диполя 9
1.2 Входной импеданс короткого диполя 10
2. Основные параметры излучателей магнитного типа 14
2.1 Характеристики направленности малой щели 14
2.2 Входной импеданс малой щели 15
3. Характеристики комбинированных излучателей 17
3.1 Характеристики направленности комбинированных антенн 17
3.2 Входной импеданс комбинированной антенны 20
3.3 Полоса согласования комбинированной антенны 22
4. Результаты численного моделирования некоторых моделей 26
комбинированных антенн 26
4.1. Антенна с расширенной полосой согласования 27
4.2 Антенна со специальной формой диаграммы направленности 29
4.3 Антенна круговой поляризации 30
4.4 Модель однонаправленной антенны 31
Заключение 33
Список используемых источников 34
1. Основные параметры излучателей электрического типа 9
1.1 Характеристики направленности короткого диполя 9
1.2 Входной импеданс короткого диполя 10
2. Основные параметры излучателей магнитного типа 14
2.1 Характеристики направленности малой щели 14
2.2 Входной импеданс малой щели 15
3. Характеристики комбинированных излучателей 17
3.1 Характеристики направленности комбинированных антенн 17
3.2 Входной импеданс комбинированной антенны 20
3.3 Полоса согласования комбинированной антенны 22
4. Результаты численного моделирования некоторых моделей 26
комбинированных антенн 26
4.1. Антенна с расширенной полосой согласования 27
4.2 Антенна со специальной формой диаграммы направленности 29
4.3 Антенна круговой поляризации 30
4.4 Модель однонаправленной антенны 31
Заключение 33
Список используемых источников 34
Стремительный рост потребности в информации заставляет человека разрабатывать всё новые виды технологий, отвечающие длительному и безопасному хранению данных, а также быстрым и качественным приёму, обработке и передаче этих данных. К слову, развитие цифровых технологий и всё более широкое использование беспроводных каналов связи вынуждает всё время повышать качество работы приёмо-передающих устройств в мобильных средствах связи. В условии сильно интерферирующих полей качество связи существенно зависит от характеристик антенн, используемых в мобильных устройствах. При изменение конкретных условий требования к антеннам также меняются.
Достижение антенной техники и радиолокации всегда были связаны с созданием различных антенн, часто в современной литературе используется термин «комбинированные антенны» или излучатели, под которыми понимаются антенны, представляющие собой комбинацию излучателей электрического и магнитного типов. Чаще всего такая комбинация используется для расширения полосы согласования антенны, однако при выполнении определённых условий комбинирование электрических и магнитных излучателей позволяет в достаточно широких пределах изменять форму диаграммы направленности(ДН) или поляризационную характеристику антенн [1]. В связи с растущей потребностью в малогабаритных антеннах, размеры которых значительно меньше длины волны и обладающих круговой поляризацией, особую важность представляет исследование факторов, влияющих на их характеристики. В связи с желательной независимостью параметров связи от взаимного положения передающего и приемного устройств, предпочтительной является использование излучения с круговой поляризацией [ 2 ].
В связи с тем, что аналитический расчет комбинированных антенн достаточно сложен, для определения параметров комбинированных антенн может быть использован открытыйпрограммный код 4NEC2[3], который предназначен для расчёта и моделирования проволочных антенн декаметрового и метрового диапазонов, однако большая часть разрабатываемых антенн относится к СВЧ диапазону, при создании которых используются печатные технологии. В этом случае антенна представляет собой не совокупность цилиндрических проводников а содержит плоские металлические проводники и металлические поверхности, в которых могут быть прорезаны щели. В этой связи необходимо предложить методику моделирования СВЧ печатных антенн, используя программный продукт 4NEC2.
Основными задачами антенной техники на данный момент являются:
- расширение полосы пропускания;
- создание специальных диаграмм направленности при минимальных размерах конструкции;
- уменьшение рассогласованности антенны с генератором на нижних частотах рабочего диапазона;
- снижение себестоимости излучателя.
В ходе проведение данной работы выяснилось, что решение большинства перечисленных задач достигается с помощью, так называемых, комбинированных антенн, представляющих собой одновременное использование в конструкции самой антенны излучателей электрического и магнитного типов.
Цель работы - исследование импедансных и направленных характеристик комбинированных антенн.
Задачи диссертационной работы:
1) разработка нескольких вариантов комбинированных антенн, использующих в качестве излучателей магнитного типа короткие щели;
2) моделирование разработанных вариантов комбинированных антенн с расширенной полосой согласования, со специальной формой диаграммы направленности и простой конструкцией антенны круговой поляризации; сделать выводы по работе.
Практическая значимость. Выявлены основные факторы, влияющие на характеристики проволочных комбинированных антенн. Показано, что с помощью комбинации излучателей разного типа можно значительно изменять характеристики антенн, в частности диаграмму направленности, поляризационную характеристику и полосу согласования антенн. Показано, что с использованием теории сетчатых структур возможно моделирование плоских антенн в пакете 4nec2, что значительно удешевляет стоимость разработки. Предложен вариант простой конструкции плоской антенны эллиптической поляризации, пригодной для использования печатных технологий
Научное положение, выносимое на защиту:
- излучение поля эллиптической поляризации возможно комбинированной антенной, содержащей две скрещенные ортогональные друг другу щели разной длины: короткую щель длиной 0.43 длины волны и длинную щель длиной 0.57 длины волны, которые возбуждаются полосковой линией, пересекающим обе щели в месте их пересечения.
Достоверность научных положений. Выводы о возможности достижения повышенных направленных свойств и круговой поляризации у комбинированной антенны не противоречат современным представлениям о механизмах формирования и распространения электромагнитных волн электрического и магнитного вибраторов. Потенциальная возможность уменьшения суммарного запаса реактивной энергии следует из фундаментальной теоремы Пойнтинга для комплексных амплитуд поля. Возможность расширения полосы пропускания комбинированной антенны с сохранением её направленных свойств подтверждена в работах других авторов, как численными расчётами, так и результатами экспериментальных исследований.
Сведения об апробации диссертации. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались:
- на всероссийской научной конференции «АПР-2019. Томск».
- на всероссийской молодёжной научно -технической конференции «Радиолокация и связь
- перспективные технологии», по результатам данной конференции была написана статья в сборник трудов конференции.
Структура и объём. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 32 страниц текста, иллюстрирована 26 рисунками, список использованных источников содержит 10 наименований.
Краткое содержание работы:
во введении изложены актуальность, цели и задачи магистерской работы, вынесено защищаемое научное положение;
в первом разделе представлены основные характеристики излучателей электрического типа;
во втором разделе представлены основные характеристики излучателей магнитного типа; в третьем разделе представлены характеристики комбинированных антенн;
в четвёртом разделе представлены результаты численного моделирования моделей антенны с расширенной полосой согласования, антенны с круговой поляризацией волн и антенны со специальной ДН.
Достижение антенной техники и радиолокации всегда были связаны с созданием различных антенн, часто в современной литературе используется термин «комбинированные антенны» или излучатели, под которыми понимаются антенны, представляющие собой комбинацию излучателей электрического и магнитного типов. Чаще всего такая комбинация используется для расширения полосы согласования антенны, однако при выполнении определённых условий комбинирование электрических и магнитных излучателей позволяет в достаточно широких пределах изменять форму диаграммы направленности(ДН) или поляризационную характеристику антенн [1]. В связи с растущей потребностью в малогабаритных антеннах, размеры которых значительно меньше длины волны и обладающих круговой поляризацией, особую важность представляет исследование факторов, влияющих на их характеристики. В связи с желательной независимостью параметров связи от взаимного положения передающего и приемного устройств, предпочтительной является использование излучения с круговой поляризацией [ 2 ].
В связи с тем, что аналитический расчет комбинированных антенн достаточно сложен, для определения параметров комбинированных антенн может быть использован открытыйпрограммный код 4NEC2[3], который предназначен для расчёта и моделирования проволочных антенн декаметрового и метрового диапазонов, однако большая часть разрабатываемых антенн относится к СВЧ диапазону, при создании которых используются печатные технологии. В этом случае антенна представляет собой не совокупность цилиндрических проводников а содержит плоские металлические проводники и металлические поверхности, в которых могут быть прорезаны щели. В этой связи необходимо предложить методику моделирования СВЧ печатных антенн, используя программный продукт 4NEC2.
Основными задачами антенной техники на данный момент являются:
- расширение полосы пропускания;
- создание специальных диаграмм направленности при минимальных размерах конструкции;
- уменьшение рассогласованности антенны с генератором на нижних частотах рабочего диапазона;
- снижение себестоимости излучателя.
В ходе проведение данной работы выяснилось, что решение большинства перечисленных задач достигается с помощью, так называемых, комбинированных антенн, представляющих собой одновременное использование в конструкции самой антенны излучателей электрического и магнитного типов.
Цель работы - исследование импедансных и направленных характеристик комбинированных антенн.
Задачи диссертационной работы:
1) разработка нескольких вариантов комбинированных антенн, использующих в качестве излучателей магнитного типа короткие щели;
2) моделирование разработанных вариантов комбинированных антенн с расширенной полосой согласования, со специальной формой диаграммы направленности и простой конструкцией антенны круговой поляризации; сделать выводы по работе.
Практическая значимость. Выявлены основные факторы, влияющие на характеристики проволочных комбинированных антенн. Показано, что с помощью комбинации излучателей разного типа можно значительно изменять характеристики антенн, в частности диаграмму направленности, поляризационную характеристику и полосу согласования антенн. Показано, что с использованием теории сетчатых структур возможно моделирование плоских антенн в пакете 4nec2, что значительно удешевляет стоимость разработки. Предложен вариант простой конструкции плоской антенны эллиптической поляризации, пригодной для использования печатных технологий
Научное положение, выносимое на защиту:
- излучение поля эллиптической поляризации возможно комбинированной антенной, содержащей две скрещенные ортогональные друг другу щели разной длины: короткую щель длиной 0.43 длины волны и длинную щель длиной 0.57 длины волны, которые возбуждаются полосковой линией, пересекающим обе щели в месте их пересечения.
Достоверность научных положений. Выводы о возможности достижения повышенных направленных свойств и круговой поляризации у комбинированной антенны не противоречат современным представлениям о механизмах формирования и распространения электромагнитных волн электрического и магнитного вибраторов. Потенциальная возможность уменьшения суммарного запаса реактивной энергии следует из фундаментальной теоремы Пойнтинга для комплексных амплитуд поля. Возможность расширения полосы пропускания комбинированной антенны с сохранением её направленных свойств подтверждена в работах других авторов, как численными расчётами, так и результатами экспериментальных исследований.
Сведения об апробации диссертации. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались:
- на всероссийской научной конференции «АПР-2019. Томск».
- на всероссийской молодёжной научно -технической конференции «Радиолокация и связь
- перспективные технологии», по результатам данной конференции была написана статья в сборник трудов конференции.
Структура и объём. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 32 страниц текста, иллюстрирована 26 рисунками, список использованных источников содержит 10 наименований.
Краткое содержание работы:
во введении изложены актуальность, цели и задачи магистерской работы, вынесено защищаемое научное положение;
в первом разделе представлены основные характеристики излучателей электрического типа;
во втором разделе представлены основные характеристики излучателей магнитного типа; в третьем разделе представлены характеристики комбинированных антенн;
в четвёртом разделе представлены результаты численного моделирования моделей антенны с расширенной полосой согласования, антенны с круговой поляризацией волн и антенны со специальной ДН.
Итогами магистерской работы являются:
— изучение и анализ свойств излучателей электрического и магнитного типов, исследование их характеристик направленности и зависимостей входных импедансов от частоты;
— продемонстрирована возможность моделирования антенн СВЧ, содержащих сплошные металлические поверхности, с использованием открытого симулятора 4NEC2, предназначенного для расчета проволочных антенн КВ диапазона;
— проведено численное моделирование нескольких вариантов КА: сверхширокополосная антенна с расширенной полосой согласования, антенна со специальной ДН, щелевая антенна круговой поляризации и однонаправленная антенна, позволяющая одновременно и независимо излучать сигналы ортогональной поляризации;
— показана возможность существенного упрощения конструкции антенн круговой поляризации.
— изучение и анализ свойств излучателей электрического и магнитного типов, исследование их характеристик направленности и зависимостей входных импедансов от частоты;
— продемонстрирована возможность моделирования антенн СВЧ, содержащих сплошные металлические поверхности, с использованием открытого симулятора 4NEC2, предназначенного для расчета проволочных антенн КВ диапазона;
— проведено численное моделирование нескольких вариантов КА: сверхширокополосная антенна с расширенной полосой согласования, антенна со специальной ДН, щелевая антенна круговой поляризации и однонаправленная антенна, позволяющая одновременно и независимо излучать сигналы ортогональной поляризации;
— показана возможность существенного упрощения конструкции антенн круговой поляризации.