Маловыступающая кольцевая антенна для подвижной связи в УКВ - диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Зотов, Владислав Евгеньевич

• Зотов, Владислав Евгеньевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Зотов, Владислав Евгеньевич

Содержание

Основные термины и условные сокращения

Введение

Глава 1. Состояние вопроса разработки маловыступающих антенн в нижней части УКВ диапазона

1.1 Особенности подвижной связи в УКВ диапазоне

1.2 Слабонаправленные маловыступающие антенны УКВ диапазона

1.3 Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн

1.4 Физические принципы действия кольцевой маловыступающей УКВ антенны

1.4.1 О роли тока смещения в формировании излучения антенны (на примере симметричного вибратора)

1.4.2 Токи смещения в пространстве, окружающем кольцевую антенну

1.4.3 Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном

1.4.4 Токи смещения при установке КА над вогнутым металлическим экраном

Выводы

Глава 2. Экспериментальное исследование маловыступающих кольцевых УКВ антенн для мобильной связи

2.1 Влияние выпуклой поверхности экрана на эффективность излучения кольцевой антенны

2.2 Замкнутая кольцевая антенна

2.2.1 Экспериментальное исследование замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте, в линии УКВ радиосвязи

2.2.2 Экспериментальное измерение диаграммы направленности замкнутой кольцевой антенны, установленной на мобильном объекте

2.3 Экспериментальное исследование двухэлементной кольцевой антенны

2.4 Кольцевая антенна с фазированием тока возбуждения по ее периметру . 51 Выводы

Глава 3. Теоретическое исследование и математическое моделирование кольцевой антенны, установленной на подвижном объекте

3.1 Излучение кольцевой антенны в свободном пространстве

3.1.1 Кольцевой источник с равномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру

3.1.2 Кольцевой источник с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по периметру

3.2 Излучение кольцевой антенны, расположенной на металлической сфере70

3.2.1 Дифракция плоской волны на сфере

3.2.2 Радиальный электрический диполь над сферой

3.2.3 Четвертьволновый радиальный вибратор над сферой

3.2.4 Тангенциальный электрический диполь над сферой

3.2.5 Кольцевая антенна на сфере

3.3 Моделирование излучения кольцевой антенны на реальном объекте

3.3.1 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на плоском экране

3.3.2 Моделирование замкнутой кольцевой антенны, установленной на крыше автомобиля «Газель»

3.4 Влияние выпукло-вогнутых поверхностей, вносимых в кольцевую антенну, на эффективность излучения

3.4.1 Выпуклая поверхность геометрически простой формы внесенная в кольцевую антенну

3.4.2 Синтез оптимальной формы выпуклой поверхности, улучшающей параметры кольцевой антенны

3.4.3 Анализ влияния вогнутой поверхности

3.5 Синтез конфигурации кольцевой антенны, учитывающей влияние корпуса

носителя

Заключение

Список литературы

Основные термины и условные сокращения

УКВ - ультракороткие волны

ДН - диаграмма направленности

КУ - коэффициент усиления

КПД - коэффициент полезного действия

DDRR - Direct driven ring radiator (кольцевой источник с прямым подключением)

КСВ - коэффициент стоячей волны КБВ - коэффициент бегущей волны

AMPS - Advanced Mobile Phone Service (усовершенствованная подвижная телефонная служба)

NMT - Nordic Mobile Telephone (первая полностью автоматическая система сотовой связи)

GSM - Global System for Mobile Communications (глобальный стандарт цифровой мобильной сотовой связи)

CDMA - Code Division Multiple Access (множественный доступ с кодовым разделением)

КА - кольцевая антенна

МКИ - метод конечного интегрирования

FDTD - метод конечных разностей во временной области

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Маловыступающая кольцевая антенна для подвижной связи в УКВ - диапазоне»

Введение

Актуальность темы. Мобильная связь в УКВ диапазоне получила в настоящее время очень широкое применение в самых различных сферах жизни человека. Оперативная работа многих гражданских служб невозможна без надежной и устойчивой радиосвязи между служебными машинами и центральным диспетчерским пунктом. Без УКВ радиосвязи нельзя представить эффективное взаимодействие войсковых подразделений при проведении военных операций.

В зависимости от назначения к мобильной системе связи предъявляются различные требования. Что касается антенн, то, для мобильной УКВ-связи требования сводятся к следующим:

1) круговой ненаправленный характер излучения в горизонтальной плоскости;

2) вертикальная поляризация излучаемого поля;

3) неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объекта-носителя.

Пока указанные требования ставились не слишком жестко, подвижная УКВ радиосвязь довольно успешно поддерживалась с помощью обычных вибраторных антенн.

Наряду с преимуществами вибраторные антенны обладают целым рядом недостатков. Так, например, длина вибратора на нижних частотах УКВ диапазона равна нескольким метрам, что значительно затрудняет прохождение объекта по пересеченной местности и на территории населенных пунктов. При изгибании антенны непрерывно изменяется согласование её с питающим фидером, при этом искажается диаграмма направленности (ДН), что приводит к уменьшению устойчивости связи.

Возникает необходимость поиска антенн, способных выполнять все поставленные перед УКВ связными мобильными антеннами задачи, а также

обладающих малой высотой возвышения над поверхностью установки и жесткой конструкцией.

Для обеспечения высокой проходимости по пересеченной местности и малой заметности антенны при установке на мобильном объекте, необходима новая маловыступающая антенна с характеристиками, незначительно уступающими аналогичным характеристикам четвертьволнового вибратора. Примером маловыступающей антенны, заслуживающей внимания, является кольцевая антенна Бойера, первое сообщение о которой появилось более полувека назад. Явными преимуществами маловыступающей антенны по сравнению с вибраторной становятся постоянство характеристик во время движения автомобиля, отсутствие раскачивающихся элементов конструкции при движении, малая высота подвеса над крышей объекта. Геометрические параметры позволяют скрыть антенну под радиопрозрачным материалом и придать конструкции эстетичный внешний вид.

Значительный вклад в разработку и исследование конструкций маловыступающих кольцевых антенн внесли J. Boyer, W. Blackband, R. Burton и R. King, К. Patterson, К. Britain, W. English, В. Quednau, В. Слюсар. Заметный вклад в математический анализ внесли L. Licking, G. Zhou, Т. Wu, R. Li, J. Laskar, D. Werner, P. Overfelt, R. Dome, V. Stoiljkovic, A. Ellrick, J. Storer, S. Moorthy, K. Ротхаммель, 3. Беньковский, W. Eichenauer и другие.

Однако, существующие результаты исследований не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций, является актуальной научной и технической задачей.

Цель и задачи исследования - теоретическое и широкое экспериментальное исследование маловыступающей антенны кольцевого типа, предложение конструкции антенны, максимально привлекающей к участию в процессе излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на

корпусе носителя и компенсирующей дифракционные искажения диаграммы направленности антенны.

Достижение поставленной цели основано на решении следующих задач:

1) Анализ путей повышения эффективности, и разработка метода оптимизации характеристик кольцевой антенны, установленной на объекте-носителе.

2) Экспериментальное исследование и сравнение эффективностей вибраторной антенны, используемой в подвижной связи на УКВ, и кольцевой антенны при расположении их на корпусе подвижного объекта.

3) Синтез конфигурации антенны, установленной на реальном объекте-носителе, корректирующей дифракционную составляющую поля, искажающую форму диаграммы направленности излучения.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались элементы теории электромагнитного поля, теория математического моделирования, теория дифракции, ЗБ - моделирование на ЭВМ, методы автоматического проектирования, а также экспериментальные классические методы антенных исследований.

Научная новизна работы.

1) Разработана и исследована математическая модель описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой УКВ антенны с неравномерным распределением высокочастотного тока возбуждения по её периметру.

2) Разработан метод повышения эффективности кольцевых антенн, позволяющий привлечь к процессу излучения высокочастотные токи, наведенные полем антенны на стенках объекта-носителя.

3) Предложен и исследован метод фазирования тока вдоль кольцевой антенны увеличенного периметра.

4) Разработана методика синтеза и анализа кольцевых антенн разных вариантов построения, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемой антенны с учетом дифракционных искажений на корпусе объекта-носителя.

Практические результаты диссертации, достигнутые в процессе выполнения научных исследований:

1) опытное доказательство эффекта увеличения коэффициента усиления кольцевой антенны за счет активного вовлечения в процесс излучения токов, наведенных на отвесных участках боковых стенок корпуса подвижного объекта и искусственно введенных металлических неоднородностей;

2) новая кольцевая антенна с максимальным размером диаметра и способ ее настройки путем изменения последовательно и параллельно включенных реактивностей;

3) расширенный перечень технических и эксплуатационных параметров кольцевой антенны, измеренных экспериментально при расположении антенны на реальном подвижном объекте в естественных условиях работы на линии связи;

4) способ коррекции диаграммы направленности излучения кольцевой антенны выбором топологии выпуклой крыши подвижного объекта и конфигурации квазикруговой геометрии антенны.

Положения, выносимые на защиту.

1) Математическая модель, описывающая излучение электромагнитного поля кольцевой антенны учитывающая неравномерный характер распределения высокочастотного тока возбуждения по периметру антенны.

2) Результаты расширенных экспериментальных исследований параметров кольцевой антенны (коэффициента усиления, направленности излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, входного сопротивления, коэффициента бегущей волны), установленной на мобильном объекте.

3) Результаты экспериментальных исследований влияния на направленные свойства кольцевой антенны геометрической формы реальной поверхности мобильного объекта.

4) Метод синтеза и анализа кольцевых антенн и объекта-носителя, обеспечивающий максимальную равномерность диаграммы направленности излучения в горизонтальной плоскости.

Внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты работы в виде конструкций кольцевых антенн и способа повышения эффективности антенн внедрены на предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были опубликованы, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- XVIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2012);

- XIX Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (г. Воронеж, 2013);

- IX Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2011 (г. Красноярск, 2011);

- X Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2013. (г. Красноярск, 2013);

- Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященная 117-й годовщине Дня радио (г. Красноярск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, включая 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК России для опубликования научных результатов диссертации, и 5 публикации тезисов и докладов. Опубликована монография по теме «УКВ кольцевая антенна для мобильной связи».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка использованной литературы. Объем работы составляет 127 страниц, включая 112 рисунков, 4 таблицы, и библиографию из 82 наименований, из которых работы автора составляют 11 наименований.

Содержание глав диссертации.

Первая обзорная глава посвящена особенностям подвижной связи в УКВ диапазоне и существующим конструкциям маловыступающих антенн УКВ диапазона. Рассмотрены физические принципы действия предложенной

кольцевой антенны, особое внимание уделено роли тока смещения в формировании поля излучения маловыступающей антенны.

Во второй главе представлены данные, полученные в ходе экспериментального исследования:

- влияния выпуклой поверхности экрана на эффективность антенны Бойера;

- характеристик замкнутой кольцевой антенны;

- антенны, расположенной на подвижном объекте;

- характеристик двухэлементной кольцевой антенны;

- характеристик кольцевой антенны с фазированием тока возбуждения по периметру;

- кольцевой антенны с комбинированной настройкой по диапазону.

В третьей главе диссертации представлены математические выкладки, описывающие поле кольцевого источника в различных условиях:

- при равномерном распределении возбуждающего тока по периметру антенны;

- при неравномерном распределении возбуждающего тока.

Представлены математические выкладки описывающие поле кольцевой

антенны при расположении ее над идеально проводящей полусферой, находящейся на заземленном металлическом экране.

В главе выполнен синтез формы выпуклой поверхности, установки антенны позволяющей оптимизировать параметры антенны:

- рассмотрено влияние на неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости формы выпуклой поверхности установки кольцевой антенной;

- синтезирована конфигурация квазикольцевой замкнутой кольцевой антенны, компенсирующая искажения, вносимые в ДН корпусом подвижного объекта.

Глава 1. Состояние вопроса разработки маловыступающих антенн в

нижней части УКВ диапазона

1.1 Особенности подвижной связи в УКВ диапазоне

Подвижная связь получила чрезвычайно широкое развитие в XX веке, особенно в его последней четверти. Оно началось с создания систем, обслуживающих нужды полиции и муниципальных служб, а также различные производственные нужды [1].

За прошедшие десятилетия наземная подвижная связь прошла несколько этапов развития от внедрения в подвижную связь частотной модуляции (1940 г.); через внедрение первых систем абонентского доступа (1975 г.) и внедрение сотовых аналоговых систем подвижной связи с высокой эффективностью использования выделенной полосы частот (1979 г. - AMPS; 1981 г. - NMT-450) до внедрения цифровых систем подвижной связи (1992 г. - GSM; 1995 г. - CDMA).

Системы мобильной связи УКВ диапазона могут использоваться как в гражданских, так и в военных целях. Основными требованиями к подвижным системам связи являются [2]:

• ненаправленный характер излучения антенны;

• неизменность основных характеристик антенны во время движения мобильного объекта - носителя;

• обеспечение стабильной связью абонентов, находящихся в зоне покрытия абонентов;

• возможность взаимодействия отдельных групп абонентов;

• высокий уровень разборчивости при приеме речевых сигналов;

• минимальная ширина полосы частот канала связи;

• оперативность управления связью, в том числе - обеспечение управления на различных уровнях, возможность циркулярной связи, обеспечение

связи через центры управления, возможность приоритетного установления каналов связи.

Высокий уровень вероятности установления связи, не зависящий от местоположения подвижного абонента, обеспечивается в настоящее время путем совершенствования приемопередающих трактов, в первую очередь антенн, что позволяет создать условия для высокой обеспеченности связью во всем регионе действия сети.

Для обеспечения стабильной связи во время движения объекта - носителя антенна должна обладать жесткой конструкцией, сохраняющей свои механические и антенные характеристики вне зависимости от преодолеваемых препятствий. Для повышения проходимости мобильно объекта, в частности военной техники по лесам и под мостами, необходимо обеспечить малую высоту конструкции антенны, без снижения при этом её эффективности.

Одной из основных проблем связи в УКВ диапазоне является влияние корпуса объекта-носителя на антенну и её параметры. Вследствие того, что длина волны, используемая для связи на частотах от 30 до 60 МГц, изменяется в пределах от 10 до 5 метров, корпус вносит существенные искажения в характеристики антенны. Поэтому рассмотрение характеристик антенны требуется проводить в совокупности с корпусом, на котором планируется ее установка. Это в свою очередь породило идею привлечения самого корпуса транспортного средства к участию в процессе формирования характеристик антенны и к минимизации его негативного влияния на последние. При условии использования токов проводимости, наведенных на металлическом корпусе возможна реализация конструкции антенны, удовлетворяющей всем перечисленным выше требованиям.

1.2 Слабонаправленные маловыступающие антенны УКВ диапазона

Известны различные конструкции укороченных вибраторных антенн, позволяющих уменьшить высоту антенных конструкций. Например,

И. Григоров [3], Э. Шпиндлер [4], Н. Зернов [5], R. Hansen [6] и другие авторы подробно описывают конструкции и характеристики укороченных антенн. Большая часть описываемых антенн представляет собой модификации вибраторной антенны с индуктивными вставками.

Простую укороченную вертикальную антенну (рис. 1.1) для диапазона X= 40 м предложил немецкий радиолюбитель Rudolf Kohl, DJ2EJ [7]. Антенна довольно компактна и, по мнению автора, имеет хорошие в сравнении с четвертьволновым вибратором параметры. Она представляет собой вертикальный излучатель длиной 2,5 м, емкостное реактивное сопротивление которого компенсирует удлиняющая катушка LI. Противовесами являются 6 горизонтальных проводников длиной по 2,5 м. Согласование входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением коаксиального кабеля обеспечивает катушка L2.

Рис. 1.1. Укороченная индуктивностью вибраторная антенна.

Характеристики антенны остаются приемлемыми и незначительно ухудшаются, относительно вибраторной антенны А/4, но при этом уменьшение высоты является несущественным. При дальнейшем укорочении антенны таким методом ее характеристики стремительно ухудшаются.

Модификации биконусных антенн различной формы подробно рассмотрены в работе Н. Зернова [5] (рис. 1.2). Показано, что достаточно малые биконусные антенны способны перекрыть широкий диапазон частот и обеспечить круговую диаграмму направленности. Однако, такие антенны требуют довольно сложных схем согласования [8].

Г

/к

г)

д)

Рис. 1.2. Биконусные антенны различных форм.

Другой тип антенн представляет монополь, помещенный в диэлектрическую среду (рис. 1.3), обеспечивающую укорочение рабочей длины волны.

Резонансная длина антенны (например, А/2-вибратор) таким образом может быть укорочена [9].

Рис. 1.3. Вибратор, находящийся в диэлектрике.

Также встречаются упоминания о так называемой антенне иначе

называемой кольцевой [10-16].

Первые сведения об антенне кольцевого типа содержатся в статье Бойера [17]. Автор статьи приводит некоторые результаты экспериментальной проверки работы нового типа антенны, заменяющей четвертьволновый вертикальный штырь-вибратор.

Как сообщалось, новая антенна выполнена в виде проводника круглого сечения (1), согнутого в кольцо (рис. 1.4). Разомкнутое кольцо устанавливалось на изоляторах (3) над металлизированной землей (2) на высоте Ь. Периметр кольца равен Ло/4, высота подвеса над экраном составляла 0,006 ?ч, (Хо — длина резонансной волны). Один конец кольца в точке А соединялся с землей посредством металлического проводника (4), другой конец, точка Е, нагружался на переменную настроечную емкость С„. Возбуждение антенны осуществлялось в точке В подсоединением центрального проводника коаксиального кабеля (5).

Эксперимент Бойера показал, что такая антенна имеет почти круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, однако коэффициент усиления (КУ) ее ниже, чем у четвертьволнового вибратора на 3 дБ.

Рис. 1.4. Кольцевая антенна по схеме Бойера.

С понижением частоты КУ постепенно падает и при значении частоты / = 0.5/о усиление кольцевой антенны на 10 дБ хуже, чем у Хо/4 - вибратора. Настройка кольца в резонанс осуществлялась с помощью вакуумного конденсатора Сн. Этим конденсатором и подбором точки включения питающего кабеля (АВ) автору удалось перекрыть двукратный частотный диапазон при коэффициенте стоячей волны (КСВ) не хуже 2.

Новая антенна сразу привлекла внимание специалистов. Однако, единого мнения в отношении принципа действия антенны не было. Мнение специалистов чаще склонялось к тому, что излучаемое кольцевой антенной электромагнитное поле есть сумма полей двух источников: поля вертикального штырька - закоротки (4), по которому протекает большой ток, и поля, обусловленного круговым изгибом проводника [18, 19]. Причем, в отношении второго источника излучения мнения расходились: если одни заявляли об излучении щели, образованной кольцом и его «зеркальным» изображением в экране [20], то другие склонялись в пользу излучения высших типов волн, возбуждаемых на изгибе, как на непрерывно распределенной неоднородности [21 - 23].

Наиболее полное и точное трактование этого вопроса раскрыто в статье Буртона и Кинга [24]. Авторы привели данные входного сопротивления и сопротивления излучения кольцевой антенны и сравнили их с соответствующими параметрами прямолинейного горизонтального проводника. Кольцевая антенна рассматривалась Буртоном и Кингом как разновидность рамочной антенны, распределение тока по разомкнутой антенне, расположенной над плоским экраном на высоте И « Хо, и ее входное сопротивление незначительно отличалось от соответствующих характеристик антенны в виде прямого проводника аналогичной длины.

До тех пор, пока выполняется условие Ь « Хо , кривизна проводника оказывает малое влияние на характеристики антенны. Кроме этого, в статье Буртона и Кинга приводятся данные, показывающие, что ввиду малости Ь

поверхностные токи, наведенные на экране, ограничиваются областью, края которой отстоят на 1ОЬ от проекции проводника на плоскость.

Авторы статьи пришли к выводу о слабой эффективности кольцевой антенны, рассматривая ее излучение над бесконечным плоским экраном.

В то же время можно предполагать, и выводы Буртона-Кинга о зоне ЮЬ подтверждают это, что при установке кольцевой антенны над поверхностью выпуклого объекта излучение ее возрастает. *

Действительно, ввиду больших размеров кольца в горизонтальной плоскости токи, наведенные его полем на металлическом экране, охватывают значительную площадь. Если экран не плоский, а выпуклый, наведенные токи будут иметь на его отвесных стенках вертикальные проекции и, очевидно, примут участие в излучении. Чем больше плотность токов, возбуждаемых на отвесных стенках, тем ощутимее их вклад в общее излучение.

Сама конструкция антенны с металлическим листом-экраном позволяет применить ее в качестве антенны подвижной связи, расположенной на крыше автомобиля - носителя. Высота кольцевой антенны в сравнении с представленными выше антеннами в десять раз меньше последних и составляет 0,006 Ао.

1.3 Уровень научной и практической проработанности кольцевых антенн

За последнее время в ряде стран, запатентовано несколько технических предложений по использованию в качестве излучающих элементов металлических рамок, привлекающих к излучению токи смещения [25-27], обрамляющих оконные проемы автомобиля и изолированных от корпуса, а также других изолированных и соответствующим образом запитанных металлических элементов конструкции автомобиля [28, 29].

Большая часть научных публикаций и работ в области кольцевых антенн [30- 33] содержит лишь описание конструкции, в них отсутствует анализ работы антенны, описание характеристик, результаты испытаний антенны в различных,

особенно, в натуральных условиях, разработка возможных модификаций, оптимизация геометрии и размеров антенны. Особого внимания заслуживают редкие публикации, содержащие математическое описание распределения токов в антенне и экспериментальные данные [24, 34, 35]. Однако приводимое математическое описание представлено лишь для равномерного распределения тока по периметру антенны и случая «малого» кольца, но не охватывает наиболее интересный для практики случай неравномерного распределения тока.

Практические конструкции маловыступающих кольцевых антенн исследованы в трудах J. Воуег [17], W. Blackband [35], R. Burton и R. King [24, 36], К. Patterson [37] К. Britain [11], W. English [12], В. Quednau [13], P. Dodd [38], G. Horn [14], A. Kandoian [39], В. Слюсар [40] и других авторов.

Математический анализ кольцевых антенн рассмотрен в работах L.Licking [41], G. Zhou [42], Т. Wu [43], R. Li, J. Laskar [44], D. Werner [18], P. Overfelt [19], R. Dome [15], и других.

Наиболее детальное описание содержится в работах L. Licking, D. Merewether [41], И. Григорова [3].

Характеристики, отображенные в работах W. King [24, 36], V. Stoiljkovic [45], A. Ellrick [46], J. Storer [47], S. Moorthy [48], К. Ротхаммель [49], 3. Беньковский [50], W. Eichenauer [16] и других авторов не содержат полных характеристик, в частности отображают ДН лишь в горизонтальной плоскости.

Спустя полвека после появления в научной печати первого сообщения о кольцевой антенне УКВ диапазона [17] последняя как маловыступающий излучатель остается объектом слабо изученным. Приведенные за 50 лет исследования не содержат полной информации о целом ряде характеристик кольцевой антенны. Поэтому продолжение этих исследований, доведение их до уровня, дающего более полное понимание физики работы кольцевой антенны и её модификаций является актуальной научной и технической задачей.

1.4 Физические принципы действия кольцевой маловыступающей УКВ антенны

1.4.1 О роли тока смещения в формировании излучения антенны (на примере симметричного вибратора)

Картина токов, протекающих по симметричному вибратору и в окружающем его пространстве, представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Картина токов смещения и проводимости симметричного вибратора.

С физической точки зрения по симметричному вибратору ток протекает следующим образом. В разрыв металлического проводника включается генератор; ток проводимости от генератора протекает по одному из плеч излучателя, замыкается в виде токов смещения и по другому плечу возвращается к генератору. Согласно теории Максвелла, протекание в точке М тока смещения эквивалентно существованию переменного электрического поля. Но, согласно

—> _, д 0

уравнению Максвелла (гоШ = упр + —), в точке М тогда появится вихревое магнитное поле. Формируется электромагнитная волна, разбегающаяся от точки

Рис. 1.6. Картина токов смещения и проводимости несимметричного вибратора

(штыря).

При размещении вибратора над проводящим экраном (рис. 1.6) ток проводимости от генератора протекает по плечу излучателя, замыкается в виде токов смещения и по поверхности проводящего экрана возвращается в генератор.

1.4.2 Токи смещения в пространстве, окружающем кольцевую антенну

По аналогии с несимметричным вибратором, расположенным над проводящим экраном, можно предположить, что токи смещения и проводимости в кольце антенны Бойера распределяются так, как показано на рис. 1.7, заполняя собой значительный объем вокруг кольца.

Рис. 1.7. Картина токов смещения и проводимости кольца над металлическим

экраном.

Известно [36], что ввиду малости Ъ поверхностные токи, наведенные на экране, ограничиваются областью, края которой отстоят на 1ОЬ от проекции

проводника на заземленную плоскость. Периметр кольца равен 2я/?ка = — ,

4

откуда диаметр антенны £ка = 2/?ка = — = 0.08А0. При этом, зная высоту подвеса

0.006 А0, нужно отметить, что зона 1 ОЬ выходит за центр кольца (рис. 1.8). Следовательно, область экрана, занимающая центр кольца, окажется в зоне воздействия сильных токов смещения.

Л"--.---.

> \ч ■• - .-- / / ( \ ч- ч %

/ / / > 1 * У / :' :' • n у у у + У у ' /V / / / ■ У! V 1 1 I ; * г у i х ■ у у у у ; й; \У\ь ¡Им ч \ ч/см у / ; / '

'///-, */ /у ./ -У > ^пр )„р У пр т*-// / '//// / /// / 0.06^о(30 - 60 см/пр Г У г—/ / . т*-пр / / " 7пр

0.08Хо(40 - 80 СМ)

Рис. 1.8. Картина токов смещения и проводимости в плоскости разреза кольца над

металлическим экраном.

1.4.3 Токи смещения КА при установке ее над выпуклым (выгнутым) металлическим экраном

Приведенные выше рассуждения позволяют предположить, что, наделяя экран осесимметричной неоднородностью, например цилиндрической формы (рис. 1.9), можно повысить эффективность излучения кольцевой антенны. Токи смещения, замыкая, полный ток наводят токи проводимости на отвесных стенках, причем, чем ближе к кольцу расположен выпуклый цилиндр, тем большую плотность будут иметь наведенные на его стенках токи, принимая вертикальное направление протекания.

Рис. 1.9. Картина токов смещения и проводимости в плоскости осевого сечения КА расположенной над выпуклым проводящим экраном.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зотов, Владислав Евгеньевич, 2013 год

Список литературы

1. Быховский, М. А. Круги памяти (Очерки истории развития радиосвязи и вещания в XX столетии) [Текст] / М. А. Быховский. - М. : МЦНИ: 000"Мобильные коммуникации", 2001. - 224 с. - ISBN 5-93533-011-3.

2. Громаков, Ю. А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи [Текст] / Ю. А. Громаков. - М. : Эко-Трендз, 1998. - 240 с.

3. Григоров, И. Н. Все об антеннах [Текст] / И. Н. Григоров ; М.: ДМК Пресс, 2009. - 352 с. : ил.

4. Шпиндлер, Э. Практические конструкции антенн [Текст] / Э. Шпиндлер.; пер. с нем. ; под ред. В. А. Крицына. -М. : МИР, 1989. - 325 с.

5. Зернов, Н. В. Теория диапазонных слабонаправленных антенн УКВ [Текст] / Н. В. Зернов. - Ленинград. : Лениннградская краснознаменная военно-воздушная инженерная академия имени А. Ф. Можайского, 1958. - 181 с.

6. Hansen, R. С. Electrically small, superdirective, and superconducting antennas [Text] / R. C. Hansen. -New Jersey. : Wiley-interscience, 2006. - 183 c.

7. Kohl, R. Kleiner unsymmetrischer vertikaler Dipol [Text] / R. Kohl // CQ DL. - 2008. - №8. - P. 26-32.

8. Макурин, M. H. Способ реализации предельной широкополосности антенн, определяемый частотной областью их согласования с фидером / М. Н. Макурин, Н. П. Чубинский // Сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» Йошкар-Ола. - 2005. - С. 460-464.

9. Best, S. R. Advances in the design of electrically small antennas , Short Course [Text] / S. R. Best // IEEE AP Symposium. - 2003. - P. 53-57.

10. Штыревые антенны И.Григоров (UZ3ZK), 308015, Белгород-15, а/я 68 (Р Л 7/92) 18 июня 2010 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shema.ru/cgi-bin/rshema.pl?name=l&flle=st_ant.shtml - 30.04.2013 г. -Загл. с экрана.

11. Britain, К. The DDRR - Directional Discontinuity Ring Radiator [Text] / K. Britain // CQ VHF. - 2007. - P. 70-72.

12. English, W. E. A 40-Meter DDRR-Antenna [Text] / W. E. English I I QST. -December 1971.-P. 28-32.

13. Quednau, B. Die DDRR-Antenne [Text] / B. Quednau // DL-QTC. - 1948. vol. 4. - P. 220-222.

14. Horn, G. W. The Half Wavelength DDRR Antenna [Text] / G. W. Horn // CQ. - September 1967. - P. 23-26.

15. Dorne, R. B. A Study of the DDRR-Antenna [Text] / R. B. Dorne // QST. -1972.-P. 27-31.

16. Eichenauer, W. Erfahrungen mit der DDRR-Antenne [Text] / W. Eichenauer // DL-QTC. - 1968. - P. 395-397.

17. Boyer, J. M. Hula-Hoop Antennas: A Coming Trend? [Text] / J. M. Boyer // Electronics. - Jan. 1963. - Vol. 11. - P. 44-46.

18. Werner, D. H. An Exact Integration Procedure for the Vector Potentials of Thin Circular Loop Antennas [Text] / D. H. Werner // IEEE Trans. Antennas Propagat. - 1996. - vol. AP-44. - P. 157.

19. Overfelt, P. L. Near Fields of the Constant Current Thin Circular Loop Antenna of Arbitrary Radius [Text] / P. L. Overfelt // IEEE Trans. Antennas Propagat. -1996.-vol. AP-44.-P. 166.

20. Никольский, В. В. Электродинамика и распростронение радиоволн. [Текст] /В. В. Никольский. - М. : Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973. - 608с.

21. Hirasawa, К. Analysis, Design and Measurement of Small and Low-Profile Antennas [Text] / К . Hirasawa, M. Haneishi // Artech House. - 1992. - P. 161-180.

22. Lizuka, K. Self- and mutual admittances of two identical circular loop antennas in a conducting medium and air [Text] / K. lizuka, R. W. P. King, C. W. Harrison // IEEE Trans. Antennas Propagat. - 1966. - vol. AP-14. -P .440 -450.

23. Boella, M. Thin wire loop antenna [Text] / M. Boella, C. Cugiani, A. Villa, R. Zieh//Electron. Lett. - 1965.-vol. 1. - P. 183 -184.

24. Burton, R. W. Theoretical considerations and experimental results for the hula-hoop antenna [Text] / R. W. Burton, R. W. P. King // Microwave Journal. - Nov. 1972.-Vol. 6.-P. 89-90.

25. Пат. US 4703328 США, CI. 343/704, H01Q 1/02. Window antenna/heater arrangement / Jones D. W., Elston M. ; заявитель и патентообладатель Pilkington pic, Merseyside; Salford Electrical Instruments, Limited, Lancashire. - № 06/694,784 ; заявл. 25.01.85 ; опубл. 27.10.87. -6c.: ил.

26. Пат. US 4864316 США, CI. 343/704, H01Q 1/02. Vehicle receiving apparatus using a window antenna / Sakurai K., Murakami H., Torii T, Oka H. ; заявитель и патентообладатель Nippon Sheet Glass Co. - № 07/209,543 ; заявл.

21.06.88 ; опубл. 05.09.89. -Юс.: ил.

27. Пат. US 4086594 США, CI. 343/704, H01Q 1/02. Electrical signal separating device for combined windshield antenna and heater grid / Kropienlnicki B. E., Kropienlnicki J. J. ; заявитель и патентообладатель B.S.H. Electronics (Manchester) Limited. - № 05/722,625 ; заявл. 13.09.76 ; опубл. 25.04.78. - 13 с. : ил.

28. Пат. US 5113195 США, CI. 343/704, H01Q 1/32. Glass window antenna for use in a motor vehicle / Kaoru S., Harunori M., Maeda M., Iijima H., Ohara S. ; заявитель и патентообладатель Nippon Sheet Glass Co., Ltd. - № 07/427,587 ; заявл.

26.10.89 ; опубл. 12.05.92. - 18 c.: ил.

29. Пат. US 5877727 США, CI. 343/713, H01Q 1/32. Glass antenna device for an automobile / Saitou Т., Takenobu S. ; заявитель и патентообладатель Asahi Glass Company Ltd. - № 08/841,660 ; заявл. 30.04.97 ; опубл. 02.05.99. - 20 с. : ил.

30. Марков, Г. Т. Антенны [Текст] / Г. Т. Марков, Д. М. Сазонов. - 2-е изд. Перераб. и доп. - М. : Энергия, 1975. - 528 с. : ил.

31. Лавров, Г. А. Приземные и подземные антенны [Текст] / Г. А. Лавров, А. С. Князев. - М. : Советское радио, 1965. - 473 с. : ил.

32. Айзенберг, Г. 3. Коротковолновые антенны [Текст] / Г. 3. Айзенберг, С. П. Белоусов, Э. М. Журбенко, Г. А. Клигер, А. Г. Курашов. ; под ред. Г. 3. Айзенберга. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.: ил.

33. Гриф, А. Я. Антенны спутниковые KB, УКВ, СИ-БИ, ТВ, РВ [Текст] / А. Я. Гриф. -М.: Символ-Р, 1998. - 316 с. : ил.

34. King, R. W. P. The Shunt-Driven Circular Loop Antenna [Text] / R. W. P. King // IEEE Trans. Antennas Propagat. - September 1971. - vol. AP-19. - P. 692-694.

35. Blackband, W. T. Radio antennas for aircraft and aerospace vehicles [Text] / T. W. Blackband // Technivision. - 1967. - P.321 -323.

36. Burton, R W. Theoretical Considerations and Experimental Results for the Hula-Hoop Antenna, [Text] / R W. Burton, R. W. P. King // The Microwave Journal. -1963.-P. 89-90.

37. Patterson, К. H. Down-to-Earth Army Antenna [Text] / К. H. Patterson // Electronics. - August 1967. - P. 111.

38. Dodd, P. The Mobile Roof-Rack Antenna [Text] / P. Dodd // CQ. - June 1980.-P. 74-75.

39. Kandoian, A. G. Three New Antenna Types and Their Applications [Text] / A. G. Kandoian // Proc IRE. - 1946.- P. 70-75.

40. Слюсар, В. Многодиапазонные антенны мобильных средств связи [Текст] / В. Слюсар // Наука, Технология, Бизнес. - 2006. - С. 94-95.

41. Licking, L. D. AN Analysis of Thin-wire circular loop antennas of arbitrary size [Text] / L. D. Licking, D. E. Merewwther // Electromagnetic Hazards Divivsion 2627 Sandia Laboratories. - 1970. - P. 74.

42. Zhou, G. An Accurate Theoretical Model for the Thin-Wire Circular HalfLoop Antenna [Text] / G. Zhou, G. S. Smith // IEEE Trans. Antennas Propagat. - 1991. -vol. AP-39.-P.- 1167.

43. Wu, Т. T. Theory of thin circular loop antennas [Text] / Т. T. Wu // J. Math. Phys. - 1962. - vol. 3. - P. 1301-1304.

44. Li, R. L. Circular Loop Antennas Reactively Loaded for a Uniform Traveling-Wave Current Distribution [Text] / R. L. Li, J. Laskar, M. M. Tentzeris // School of Electrical and Computer Engineering Georgia Institute of Technology. -2005.-vol. 3B.-P. 455-458.

45. Stoiljkovic, V. A Half-Wave Hula-Hoop Antenna for GSM Mobile Applications [Text] / V. Stoiljkovic, A. D. Spencer, G. Wilson // Applied Microwave & Wirelwss. - 1999. - P. 42-46.

46. Ellrick, D. A. An antenna design for pansat using nec [thesis] / D. A. Ellrick // Naval postgraduate school. - 1991. - P. 94.

47. Storer, J. E. Impedance of thin wire loop antenna [Text] / J. E. Storer // Office of Naval Research. - Technical Report No. 212. - 1955. - 45 p.

48. Moorthy, S. C. Analysis of a Thin Circular Loop Antenna Over a Homogeneous Earth [Text] / S. C. Moorthy // Bell System Technical Journal. - 1970. -P. 1215-1233.

49. Ротхаммель, К. Антенны [Текст] / К. Ротхаммель ; Пер. с нем. - СПб. : Бояныч, 1998, - 656 с : ил.

50. Беньковский, 3. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн [Текст] / 3. Беньковский, Э. Липинский ; Пер. с польск. ; под общ. ред. О. П. Фролова. - М. : РиС, 1983, - 480 с : ил.

51. Пат. 3151328 США,. CI. 343/742, H01Q 9/26. Open ring antenna / Boyer J. M. ; заявитель и патентообладатель Northrop Corporation. - № 19/620,206,248 ; заявл. 29.06.62 ; опубл. 29.09.64. - 10 с. : ил.

52. Экспериментальное исследование антенны Бойера, размещённой на выпуклом объекте / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011, Т7. №9. С.139-141.

53. Пат. 3247515 США,. CI. 343/742, H01Q 9/26. Low Profile Antenna / Boyer J. M. ; заявитель и патентообладатель Northrop Corporation. - № 19/630,304 ; заявл. 04.03.63 ; опубл. 19.04.66. -6c.: ил.

54. Исследование замкнутой кольцевой антенны для УКВ диапазона на модели мобильного объекта / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // 2011 International Siberian Conference on Control and Communications SIBCON. Proceedings - Красноярск: Сибирский федеральный университет. - 2011, - С.465-467. - ISBN: 978-1-45771069-8.

55. Испытание замкнутой кольцевой антенны для мобильной связи на реальном объекте / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012, Т8. №2. С.38-40.

56. Долуханов, М. П. Распростронение радиоволн [Текст] : учебник для вузов / М. П. Долуханов. -4-е изд. - М. : Связь, 1972. - 336 с.

57. Экспериментальное исследование двойной кольцевой антенны / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012, Т8. №12-1. С.28-30.

58. Экспериментальное исследование сдвоенной антенны Бойера с фазированием тока по периметру [Тез.]/ В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: СФУ, 2012, - С. 274-277.

59. Экспериментальное исследование сдвоенной антенны Бойера с фазированием тока по периметру / В. Е. Зотов // Материалы XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж. - 2012, Tl. С.974-979.

60. Зотов, В. Е. УКВ кольцевая антенна для мобильной связи [Электронный ресурс] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин. - Saarbrücken : LAP LAMBERT Academic Publishing. 2013, - 59 с. - ISBN 978-3-659-35847-0.

61. Экспериментальное исследование низкопрофильных кольцевых УКВ антенн для мобильной связи / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Материалы XIX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж. - 2013, Т2. С.830-840.

62. Ватсон, Г. Н. Теория Бесселевых функций. Часть 1. [Текст] / Г. Н. Ватсон. - М. : Издательство иностранной литературы. 1949, - 783 с.

63. Collin, R. Е. Antennas and Radiowave Propagation [Text] / R. E. Collin. -McGraw-Hill. 1985, - 508 p.

64. Siwiak, K. Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications [Text] / К. Siwiak, Y. Bahrini. - 3nd ed. - London. : Artech House. 2007, - 455 p.

65. Поле кольцевого источника с гармоническим возбуждением по периметру / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013, Т9. №1. С.55-57

66. Бейтмен, Г. Высшие трансцендентные функции. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены [Текст] / Г. Бейтмен, А. Эрдейи. - М. : Физматгиз. 1966, - 296 с.

67. Хёнл, X. Теория дифракции [Текст] /X. Хёнл, А. Мауэ, К. Вестпфаль -под ред. Г. Д. Малюжинца. - М. : Мир. 1964, - 425 с.

68. Фок, В. А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн [Текст] / В. А. Фок. - М. : Советское радио. 1970, - 476 с.

69. Кинг, Р. Рассеяние и дифракция электромагнитных волн [Текст] / Р. Кинг, У. Тай-Цзунь ; перевод Г. В. Воскресенского; под ред. Э. JI. Бурштейна. -М. : Изд-во иностранной литературы. 1962, - 192 с.

70. Бобров, С. Т. Оптика дифракционных элементов и систем [Текст] / С. Т. Бобров, Г. И. Грейсух, Ю. Г. Туркевич - JI. : Машиностроение, Ленингр. Отд-ние. 1986,-223с.

71. Бабич, В. М. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн [Текст] / В. М. Бабич, B.C. Булдырев. - М. : Наука. 1972, - 456 с.

72. Потехин, А. И. Некоторые задачи дифракции электромагнитных волн [Текст] / А. И. Потехин. - М. : Советское радио. 1948, - 132 с.

73. Уфимцев, П. Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции [Текст] / П. Я. Уфимцев. - М.: Советское радио. 1962, -123 с.

74. Белкина, М. Г. Характеристики излучения сферических поверхностиных антенн [Текст] / М.Г. Белкина, J1.A. Вайнштейн // Дифракция электромагнитных волн на некоторых телах вращения. - М. : Издат. Советское радио, - 1957.-С. 57-125.

75. Фок, В. А. Поле от вертикального и горизонтального диполя, приподнятого над поверхностью земли. (The field of vertical and horizontal dipole lifted above the earth surface) [Текст] / В. А. Фок // ЖЭТФ. - 1949. - т. 19. - вып. 10. -С. 916-929.

76. Tables of associated Legendre functions [Text] / N.Y. : Columbia University Press. - 1945.

77. Tables of spherical Bessel functions [Text] / N.Y. : Colubia University Press.-v. I-II. - 1947.

78. Курушин, А. А. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio [Текст] / А. А. Курушин, A. H. Пластиков. - M. : МЭИ. 2010, -160 с : ил.

79. Банков, С. Е. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР / С. Е. Банков, А.А. Курушин. -М. : Самиздат. 2008, - 276 с : ил.

80. Разевиг, В. Д. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office [Текст] / В. Д. Разевиг, Ю. В. Потапов, А. А. Курушин. - М. : Солно-Пресс. 2003,-496 с : ил.

81. Повышение эффективности кольцевой антенны введением выпуклой поверхности [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013, Т9. №4. С. 15-17.

82. Синтез конфигурации кольцевой антенны, учитывающей влияние корпуса носителя [Текст] / В. Е. Зотов, В. И. Юдин // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings - Krasnoyarsk : Siberian Federal University. Russia, Krasnoyarsk, September 12-13, - 2013. - ISBN: 978-1-4799-1060-1.