Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

Скоропад М.А., Магро В.И.

Национальный горный университет, Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОПОЛЬНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ЭКРАНОМ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

Аксиально-симметричный монопольный излучатель широко применяется в различных телекоммуникационных системах. К преимуществам данного типа антенн следует отнести возможность формирования различных диаграмм направленности путем изменения геометрических размеров антенны.

Хотя МИ известен достаточно давно, но в гигагерцовом диапазоне длин волн данный тип антенн еще не достаточно исследован. МИ относятся к всенаправленным антеннам и могут найти широкое применение в беспроводных системах связи, таких как WiMAX. Наличие экрана формирует необходимую однолучевую направленность во всей рабочей полосе частот. Такая антенна обладает компактностью и отличается дешевизной исполнения.

В докладе описано построение математической модели антенны с помощью метода конечных элементов.

МИ представляет собой вертикальный монополь высотой d_r1, который находится над круглым металлическим экраном с внутренним радиусом r и внешним радиусом R. Вертикальный монополь создан отрезком центральной жилы коаксиального кабеля (рисунок 1).

Рисунок 1. Монопольный излучатель

Проведенный анализ полученных распределений компоненты электромагнитного (ЭМ) поля МИ с высотой монополя λ/4 позволил условно разделить исследуемые МИ на две группы с радиусами экрана кратными λ/2 (первая группа) и кратными непарному числу λ/4 (вторая группа).

Для МИ первой группы наблюдается распределение ЭМ поля с максимумом в центре антенны. При приближении к краю антенны интенсивность ЭМ поля на расстоянии ≈ λ/4 от края экрана. Далее интенсивность ЭМ поля опять увеличивается, и в непосредственной близости от края МИ наблюдается второй максимум. Таким образом, особенностью МИ данной группы является наличие двух вариаций поля вдоль радиуса экрана с минимумом, который находится на фиксированном расстоянии от края МИ.

Характерной особенностью МИ второй группы является то, что интерференционная картина, которая формируется в ближней зоне, имеет вид колец, амплитуда которых уменьшается при отдалении от центра МИ. Такие распределения ЭМ поля могут быть названы «пространственной волновой решеткой». Следует отметить, что число вариаций ЭМ поля вдоль радиуса экрана увеличивается при его увеличении. Таким образом, особенностью МИ данной группы является формирование в ближней зоне распределений поля в виде «пространственной волновой решетки».

На рисунке 2 показаны зависимости угла максимального излучения двух групп МИ от радиуса экрана.

Рисунок 2. Зависимости угла максимального излучения двух групп МИ от радиуса экрана

Проведенный анализ полученных диаграмм направленности позволяет выявить закономерность изменения направления максимума излучения исследуемых МИ с высотой монополя d_r1 = λ/4 от радиуса экрана.

Как показано выше, в МИ дифракционные эффекты на апертуре антенны существенно изменяют ее характеристики излучения. Введение в конструкцию дополнительных элементов, таких как L-образный экран и дополнительный экран, приведет к появлению дополнительного источника распространения электромагнитных волн, что позволяет уменьшить влияние дифракционных эффектов на характеристики МИ. Также усложнение формы экрана позволяет уменьшить влияние краевых волн, которые возникают на апертуре МИ, и расширить её функциональные возможности. Вертикальная часть L-образного экрана является дополнительным резонансным элементом, что и определяет наличие двух рабочих частотных полос Δf₁ = 6,9 – 8 ГГц и Δf₂ = 10,9 – 12,8 ГГц.

Рисунок 3. Монопольный излучатель с дополнительным экраном

Показано, что данный тип излучателя может быть применен в беспроводных системах связи и передачи данных, таких как WiMAX.

Литература

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М.Сазонов. — М.: Высшая школа, 1988. — 432 с.

2. Банков С.Е. Анализ и оптимизация СВЧ структур с помощью HFSS / С.Е.. Банков, А.А. Крушин, В.Д. Разевич. — М., 2004. — 283 с.