Рис. 20. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения полуволновой КСА
Рассмотрим далее влияние на характеристики антенны ширины проводников и зазора между ними . Они влияют на свойства КСА через характеристические сопротивления собственных волн многопроводной линии передачи. Так как мы рассматриваем двухпроводный СИ, то количество волн равно двум. Как отмечалось выше, эти волны принято называть четной и нечетной. Обозначим их характеристические импедансы через .
На рис. 21 показана частотная зависимость модуля коэффициента отражения . Кривые 1 - 3 получены при разных . Геометрические размеры выбирались таким образом, чтобы сопротивление менялось относительно слабо, а основные изменения происходили в . В этом случае мы можем анализировать влияние на антенну характеристического сопротивления двухпроводной линии передачи, соединяющей вход антенны и точку возбуждения СИ. Отметим, что в силу неравенства (см. формулу (13)) сопротивление двухпроводной линии, образованной проводниками, расположенными на расстоянии друг от друга, с высокой точностью равно . Кривые 1 - 3 соответствуют следующим значениям : , ; , ; , . Им также соответствуют следующие значения характеристических импедансов: =60, 100, 150 Ом; =390, 385, 389 Ом.
Рис. 21. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения полуволновой КСА при разных значениях параметров
Анализируя графики на рис. 21, мы можем сделать вывод о том, что повышение сопротивления двухпроводной линии расширяет полосу согласования КСА.
На рис. 22 также показана частотная зависимость модуля при разных значениях . Отличие графиков на рис. 22 от графиков на рис. 21 состоит в том, что они соответствуют КСА со скомпенсированной остаточной реактивностью. Для этого ко входу антенны в зависимость от знака последовательно подключаются компенсирующие емкость или индуктивность. Их величины выбираются таким образом, чтобы мнимая часть входного сопротивления КСА равнялась нулю на частоте . Качественно кривые на рис. 22 и 21 похожи. Можно отметить некоторое (не очень большое) увеличение полосы согласования, достигаемое с помощью компенсирующей реактивности.
Рис. 22. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения полуволновой КСА со скомпенсированной реактивностью входного импеданса
6. Электродинамическая модель четвертьволновой КСА
В этом разделе мы рассмотрим результаты исследования четвертьволновой КСА с помощью численного решения электродинамической задачи, которое позволяет достаточно строго учитывать все особенности геометрической структуры КСА. Численное решение осуществлялось с помощью программы электродинамического моделирования и проектирования ЭДЭМ («Электродинамика экранов из металла»).
В качестве первого шага рассмотрим модель КСА с однопроводными СИ. Она показана на рис. 23 а,б. Для оценки размеров КСА можно использовать сетку, показанную на рис. 23 а. Шаг сетки равен 10 мм. Основание КСА выполнено в виде крестообразного соединения двух металлических проводников, в которые включены два сосредоточенных источника с одинаковой по модулю амплитудой и сдвигом фазы на 900.
а б
Рис. 23. Модель четвертьволновой КСА с однопроводными СИ
Рис. 24. Частотная зависимость входного импеданса четвертьволновой КСА с однопроводными СИ
На рис. 24 показаны частотные зависимости действительной и мнимой частей входного сопротивления КСА. Им соответствуют кривые 1 и 2. Графики получены для следующих параметров КСА: радиус , ширина проводника , высота антенны , угол намотки спирали . Видно, что действительная часть входного сопротивления на частоте резонанса () равна 3 Ом, что весьма далеко от значения характеристического сопротивления стандартной линии передачи.
Рис. 25. Диаграмма направленности (а) и коэффициент эллиптичности (б) четвертьволновой КСА с однопроводными СИ
На рис. 25 а,б показаны диаграмма направленности антенны по мощности и ее коэффициент эллиптичности в зависимости от угла места , полученные на частоте 1.7 ГГц. Угол отсчитывается от оси 0z, которая совпадает с осью КСА. Характеристики КСА не зависят от азимутального угла . Коэффициент эллиптичности определяется в ЭДЭМ через отношение осей эллипса поляризации. По этому параметру мы можем судить только о близости поляризации излучения к круговой, но не имеем информации о типе круговой поляризации (правая или левая круговая).
Из рис. 25 а видно, что КСА обладает направленностью. Она имеет выраженный максимум излучения в направлении оси 0z. Поляризация излучения в этом направлении - правая круговая. Возможность создания направленного излучения с помощью КСА является одним из их достоинств.
а б в
Рис. 26. Модели четвертьволновых КСА с трехпроводными СИ
Отметим также, что при от осевого направления коэффициент эллиптичности излучения падает и при некотором значении угла обращается в нуль. Затем он вновь растет до нулевого значения (в децибелах), которое достигается при . При переходе коэффициента эллиптичности через нуль изменяется тип поляризации. Если при малых углах она была правой круговой, то при больших углах она становится левой круговой поляризацией.
Анализ простой КСА с однопроводными СИ подтверждает актуальность задачи увеличения входного сопротивления антенны. Рассмотрим далее три КСА с трехпроводными СИ, которые показаны на рис. 26 а-в.
Представленные модели КСА отличаются геометрическими размерами. Они представлены в табл. 1.
Табл. 1. Геометрические размеры КСА
|
w |
w1 |
s |
R |
m |
h |
, град |
||
|
1 |
0.5 |
1.6 |
0.9 |
9 |
0.5 |
29 |
42 |
|
|
2 |
1.2 |
1.6 |
0.9 |
9 |
0.4 |
33 |
54.6 |
|
|
3 |
2 |
1.6 |
0.9 |
10 |
0.3 |
35 |
67.5 |
Рис. 27. Распределение электрических токов на проводниках КСА
Через обозначена ширина внешнего проводника, через w1 ширина внутреннего проводника, s - расстояние между ними, R - радиус КСА, h - ее высота, m - число витков спирали. В первом столбце табл. 1 приведены номера моделей КСА. Они соответствуют рис. 26 а-в.
На рис. 27 показано распределение электрических токов на проводниках КСА, которое позволяет качественно оценивать процессы, происходящие в антенне.
Рассмотрим в качестве первого шага количественного анализа частотные зависимости действительной и мнимой частей входного импеданса КСА, которые показаны на рис. 28. Они построены для модели номер 2. Кривая 1 соответствует действительной части, а кривая 2 мнимой. Видно, что действительная часть входного сопротивления резко выросла по сравнению с КСА с однопроводными СИ, что доказывает высокую эффективность предложенного способа коррекции импедансных характеристик антенны. Можно также отметить, что качественно частотная характеристика входного сопротивления, полученная с помощью численного решения, ведет себя аналогично решению на основе феноменологической модели (см. рис. 10). На рабочей частоте 1.6 ГГц мы можем наблюдать последовательный резонанс. Имеются также два параллельных резонанса, обеспечивающих рост действительной части сопротивления. Оценивая полосу согласования четвертьволновой КСА, можно отметить, что антенна достаточно узкополосна. Об этом говорит также зависимость модуля коэффициента отражения от входа КСА, представленная на рис. 29. Видно, что полоса согласования по критерию примерно равна 40 МГц.
Рис. 28. Частотная зависимость входного импеданса четвертьволновой КСА
Рис. 29. Частотная зависимость модуля коэффициента отражения КСА
На рис. 30-32 представлены диаграммы направленности, соответствующие моделям 1-3, на частоте 1.6 ГГц.
Рис. 30. Диаграмма направленности модели 1 четвертьволновой КСА
Рис. 31. Диаграмма направленности модели 2 четвертьволновой КСА
Видно, что они отличаются степенью направленности, которую удобно характеризовать уровнем излучения «назад». Он минимален для модели номер 2. Преимущественно направленность зависит от угла намотки спирали, который имеет оптимальное значение равное 54.60.
На рис. 33 показана зависимость коэффициента эллиптичности второй модели от угла . Она мало отличается от аналогичной зависимости, полученной для КСА с однопроводными СИ.
Рис. 32. Диаграмма направленности модели 3 четвертьволновой КСА
Рис. 33. Коэффициент эллиптичности модели 2
7. Электродинамическая модель полуволновой КСА
На первом этапе изучалась построенная с помощью программы ЭДЭМ модель полуволновой КСА с однопроводными СИ. Она показана на рис. 34 а,б. Антенна имеет основание в виде металлического диска. СИ возбуждаются четырьмя сосредоточенными источниками с одинаковыми амплитудами и сдвигом фаз на 900, которые необходимы для создания излучения с круговой поляризацией.
На рис. 35 представлены частотные зависимости параметров для КСА со следующими размерами: , , , , где - радиус КСА. Кривые 1 и 2, как и раньше, соответствуют действительной и мнимой частям входного импеданса. Из рис. 35 можно сделать вывод о том, что у полуволновой КСА с одиночными СИ действительная часть импеданса не столь мала, как в случае четвертьволновой КСА. На резонансной частоте она равна 25 Ом, что меньше, чем стандартное значение в 50 Ом, но разница между ними не очень значительна. Она может быть устранена с помощью известных в СВЧ технике трансформаторов сопротивлений.
а б
Рис. 34. Модель полуволновой КСА
Рис. 35. Частотная зависимость входного импеданса полуволновой КСА
При уменьшении радиуса полуволновой КСА действительная часть входного сопротивления уменьшается. Этот вывод можно сделать из рис. 36, на котором показана зависимость сопротивления от радиуса КСА. Другие параметры КСА совпадают с при веденными выше.
Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что необходимость применения многопроводных СИ при проектировании полуволновых КСА в виде проводников, размещенных в свободном пространстве, не столь очевидна, как в случае четвертьволновых антенн. Исключение составляют ситуации, в которых имеются ограничения на размеры устройства, заставляющие уменьшать его диаметр.
Рис. 36. Зависимость действительной части входного импеданса от радиуса КСА
Актуальность использования предлагаемого в работе технического решения повышается в тех случаях, когда антенна размещается на поверхности диэлектрического цилиндра. Такое изменение конструкции КСА бывает часто необходимым с точки зрения выполнения требований к механической прочности устройства. Появление диэлектрика весьма существенно сказывается на входном сопротивлении антенны. Анализ КСА с диэлектрическим каркасом не может быть проведена с помощью программы ЭДЭМ. Поэтому мы использовали систему HFSS, в основе которой лежит решение уравнений электродинамики методом конечных элементов.
На рис. 37а,б показана модель полуволновой КСА, построенная в системе HFSS, и зависимость действительной и мнимой частей ее входного импеданса от частоты. Размеры и параметры диэлектрика показаны на рис. 37а.
Рис. 37. Модель полуволновой КСА в системе HFSS (а) и частотная зависимость ее входного сопротивления (б)
Из рис. 37б видно, что применение диэлектрических материалов в конструкции КСА существенно снижает ее входное сопротивление (до единиц Ом). Такое поведение сопротивление подтверждает актуальность применения КСА с многопроводными СИ.
Рис. 38. Модель полуволновой КСА с двухпроводными СИ в системе HFSS
Модель полуволновой КСА с двухпроводными СИ была построена в системе HFSS. Она показана на рис. 38. На нем также показано распределение модуля напряженности электрических токов, текущих по проводникам КСА. Исследуемая антенна имела следующие параметры:
? внешний диаметр КСА - 30
? внутренний диаметр - 26
? высота - 44
? проницаемость диэлектрика - 4.5
? угол потерь - 0.002
? ширина длинного проводника - 3.9
? ширина короткого проводника - 1.6
? зазор между проводниками - 0.37
? угол поворота проводника - 180 град.
? длина длинного проводника - 65.44.
Переменным параметром является длина короткого проводника. На рис. 39 а-в показаны частотные зависимости действительной и мнимой частей входного импеданса КСА. Рис. 39 а-в получены для разных длин короткого проводника: 38.9, 32.59, 26.27.
Из рис. 39 а-в видно, что качественно поведение входного импеданса совпадает с предсказанным феноменологической моделью. На частотах 3 и 0.6 ГГц наблюдаются два параллельных резонанса, которые соответствуют резонансам КСА с однопроводными СИ. Между ними находится дополнительный параллельный резонанс, обусловленный присутствием второго (короткого) проводника. Величина действительной части входного импеданса на частоте дополнительного резонанса зависит от длины короткого проводника. Лучшее согласование наблюдается, когда она равна 38.9.