Технічні науки/6. Електротехніка і радіоелектроніка

Д.т.н. Ільницький Л.Я., к.т.н. Щербина О.А., Михальчук І.І.

Антенна решітка з керованою діаграмою спрямованості

Національний авіаційний університет, Україна

Ефективність використання частотного ресурсу в значній мірі залежить від характеристик антен. Найпростіші антени: симетричні та несиметричні вібратори, спіральні ненапрямлені антени, вібраторні решітки з малою кількістю елементів (директорна, логоперіодична), прості щілинні антени і т.п. мають далеко не оптимальні характеристики. Але їх часто використовують, особливо на мобільних об`єктах, оскільки їх габарити найбільш задовольняють вимоги щодо розмірів випромінюючих систем.

До антен мобільних станцій радіомоніторингу висувають також і вимоги щодо можливості зміни положення площини поляризації у просторі, електрокерування напрямaми нулів і максимумів діаграми спрямованості та жорсткості і простоти конструкції, щоб антена під час руху станції не створювала додаткової завади, обумовлених вібрацією пристрою. Зрозуміло, що у широкому частотному діапазоні задовольнити висунуті вимоги практично неможливо, але якщо обмежитися діапазонами ультрависоких і надвисоких частот, то синтезувати антенні пристрої з задовільними характеристиками цілком можливо.

Відомо [1], що антена яка виконана у вигляді симетричного або несиметричного вібратора, плоскої спіралі, або одиночної щілини, має досить низький коефіцієнт спрямованої дії. Триелементна директорна антена, а також логоперіодична антена мають трохи більші коефіцієнти спрямованої дії і в багатьох випадках задовільну діаграму спрямованості. Але ефективність таких антен суттєво погіршується при поляризаційному неузгодженні. Тому бажано створити таку антенну систему, яка б мала дещо більший коефіцієнт спрямованої дії, чим симетричний вібратор, більшу робочу смугу частот і працювала б в такому поляризаційному базисі, при якому розв`язка з лінійно поляризованою хвилею була б неможлива.

З такої постановки завдання випливає, що антенний пристрій повинен будуватися на засадах антенних решіток з коловою поляризацією, на випромінюючих елементах з широкими смугами робочих частот. Такими елементами можуть бути кільцеві антени, що працюють в режимі біжучої хвилі струму при довжині кільцевого провідника близько до довжини електромагнітної хвилі. Проблема полягає лише в тому, як побудувати систему живлення кільцевих антен, щоб її частотні властивості не звужували робочу смугу частот антенної решітки. Найбільш простим розв`язанням цієї проблеми може бути використання лінії передачі, хвильовий опір якої узгоджений з навантаженням, тобто з вхідним опором кільцевих випромінювачів. Але при цьому фазовий розподіл в живленні елементів решітки буде статичним – незмінним. Для керування фазовим розподілом, яке б забезпечувало керування положенням діаграми спрямованості у просторі пропонується використовувати зміщення точки симетрії в навантаженні двопровідної лінії передачі.

Конкретна схема керування фазовим розподілом подається на прикладі двоелементної антенної решітки (рис. 1) [2]. Очевидно, що така схема може бути розширена для парної кількості елементів антенної решітки (чотирьох, шести і більше елементів).

Випромінюючими елементами є кільця 1 і 2, радіуси яких а задовольняють умову

, (1)

де – довжина хвилі струму.

В цьому випадку кожне кільце, що обгинається біжучою хвилею струму, створює поле випромінювання, яке описується формулами

(2)

(3)

де ; – функції Беселя нульового, першого та другого порядку; – меридіальний кут сферичної системи координат, що відраховується від полярної осі, паралельній осям кілець; – амплітуда струму біжучої хвилі, що протікає у першому або другому кільці; – відстань від антени до точки спостереження; – фаза струму, що протікає через затискач а першого або другого кільця;  – хвильове число.

Рис. 1. Малоелементна антенна решітка обертової поляризації з керованою діаграмою спрямованості

Елементи решітки живляться двопровідною лінією, в яку включені два шлейфи в точках c, d i g, h. Якщо короткозамикач КЗ₁ першого шлейфу встановити так, щоб його довжина дорівнювала або нулю, а довжина другого шлейфа за допомогою короткозамикача КЗ₂ встановити рівною нулю, то схема матиме симетрію відповідно до вертикальної осі і кільця будуть збуджуватись синфазно, тобто .

Кількість витків у кожному кільці беруть за умови, щоб в лінії існував режим біжучої хвилі, тобто сума опорів випромінювання кілець повинна дорівнювати хвильовому опору двопровідної лінії. В цьому випадку складові напруженості електричного поля меридіальні і азимутальні будуть знаходитись у фазі і діаграма спрямованості буде у своєму складі мати множник:

(4)

де – відстань між центрами кілець.

Для зміни напряму максимального випромінювання вводиться фазовий зсув , який визначається як:

. (5)

Значення залежать від довжини шлейфів і . Довжина знаходиться в межах , а довжина в межах .

Довжини і змінюються одночасно таким чином, щоб сума вхідних опорів і реактивних шлейфів дорівнювала нулю:

. (6)

Розкриваючи значення і , знаходимо, що

(7)

де W – хвильовий опір відрізків l₁ і l₂.

Враховуючи різницю між довжинами шлейфів, можна записати, що

, (8)

де .

Отже, довжина шлейфів для забезпечення певного фазового зсуву знаходиться з рівняння

. (9)

При такому виборі довжин шлейфів не порушується режим біжучої хвилі в антенній системі і напрям максимуму визначається з формули

, або .

Поляризація електромагнітної хвилі залежить від напряму протікання струму. Отже, використовуючи перемикач, який буде змінювати напрям протікання струму, тобто для правого кільця від положення, що зображено на рис.1, верхній кінець лінії приєднуватиме до точки a, а нижній – до точки b, змінюватимемо напрям обертання вектора напруженості електричного поля – переходити від правого напряму обертання до лівого напряму обертання.

Опір випромінювання одного кільця знаходимо за відомою формулою [3]:

(10)

Використовуючи значення модуля отримуємо

, (11)

. (12)

В результаті чисельного інтегрування знаходимо, що опір випромінювання кільця дорівнює:

Оскільки коефіцієнт корисної дії антени в діапазонах метрових та дециметрових хвиль наближається до одиниці, то вхідний опір кільця практично дорівнюватиме опору випромінювача.

В синтезованій антенній решітці використано два кільця, тому навантаження на двопровідну лінію становитиме 530 Ом, що добре узгоджуватиметься зі стандартною двопровідною лінією передачі з хвильовим опором 600 Ом.

Література:

1. Ільницький Л.Я., Савченко О.Я., Сібрук Л.В. Антени та пристрої надвисоких частот. Підручник для ВНЗ / За ред. Л.Я. Ільницького. – К.: Укртелеком, 2003. – 496 с.

2. Патент на корисну модель № 44847 Україна. Малоелементна антенна решітка обертової поляризації з керованою діаграмою спрямованості / Ільницький Л.Я., Щербина О.А., Михальчук І.І. – Опубл. 12.10.2009, Бюл. №19.

3. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. – М.: Сов. радио, 1961. – 816 с.