Широкополосная щелевая турникетная антенна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Клыгач, Денис Сергеевич

• Клыгач, Денис Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Клыгач, Денис Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных обозначений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКАЯ И ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛИ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ТУРНИКЕТНОЙ АНТЕННЫ

1.1 Введение

1.2 Физическая модель двусторонней щелевой антенны

1.3 Формулировка метода решения

1.4 Функция Грина рассматриваемой задачи

1.5 Поведение функции Грана в дальней зоне

1.6 Значение поверхностного интеграла на внешней поверхности SR области V

1.7 Значение поверхностного интеграла на внутренней поверхности Snj¡ области V

1.8 Значение объемного интеграла

1.9 Частный случай для узкой щели

1.10 Формулы для нахождения диаграммы направленности турникетного щелевого излучателя в горизонтальной плоскости

1.11 Фазовые диаграммы направленности двухстороннего щелевого излучателя

1.12 Фазовые диаграммы направленности турникетного щелевого излучателя

1.13 Метод интегральных уравнений

1.14 Выводы

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТУРНИКЕТНОЙ

АНТЕННЫ

2.1 Введение

2.2 Исходный вариант модели антенны

2.3 Исследования влияния длины щелевого излучателя на полосу согласования турникетной антенны с фидером

2.4 Исследования влияния длины согласующего отрезка фидера на полосу согласования турникетной антенны с фидером

2.5 Исследования влияния ширины пластины на полосу согласования турникетной антенны с фидером

2.6 Исследования влияния положения точки возбуждения от края щели на полосу согласования турникетной антенны с фидером

2.7 Результаты исследований

2.8 Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЕ ПОЛОСЫ СОГЛАСОВАНИЯ АНТЕННЫ С ФИДЕРОМ

3.1 Введение

3.2 Способ возбуждения щелевой антенны с помощью короткого замыкания

3.3 Способ возбуждения щелевой антенны с помощью согласующего отрезка

3.4 Увеличение диапазона согласования с помощью дополнительных щелей

3.5 Численное исследование влияния длины пассивных щелей на параметры щелевой антенны

3.6 Численное исследование влияния положения пассивных щелей по вертикали на параметры щелевой антенны

3.7 Численное исследование влияния положения пассивных щелей по горизонтали на параметры щелевой антенны

3.8 Численное исследование влияния длины согласующего отрезка на параметры щелевой антенны с пассивными щелями

3.9 Исследование влияния двух пар пассивных щелей на согласование

и ДН щелевой антенны

3.10 Результаты исследования

3.11 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Введение

4.2 Условия проведения экспериментов

4.3 Влияние ширины пластины на диаграмму направленности антенны в плоскости вектора Е

4.4 Влияние антенного эффекта фидера на диаграммы направленности двухсторонней щелевой и турникетной антенн

4.5 Влияние стоек на диаграмму направленности антенны

4.6 Исследование диаграмм направленности антенной решетки щелевых турникетных излучателей

4.7 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список рисунков

Список основных обозначений

а единичный вектор, задающий ориентацию вспомогательного

источника

(гДср) сферическая система координат (, ¡е > 'ф) единичные орты сферических координат (х,у,г) декартовая система координат (г^Гу,^) единичные орты декартовых координат

<5"з(г-г1) трехмерная ¿»-функция

с1 толщина пластины

с1 собственные значения матрицы Гессе

к волновое число

п единичный вектор внешней нормали к поверхности £

/3 постоянная распространения

О символ Ландау

X длина волны

плотность тока стороннего магнитного источника

•> поверхностная плотность магнитного тока

^(0,ф) комплексная диаграмма направленности

/ длина щели на пластине

Е вектор напряженности электрического поля

Е вектор напряженности электрического поля плоской волны

вектор напряженности электрического вспомогательного поля

амплитуда напряжённости электрического поля рассеяния

Н вектор напряжённости магнитного поля

Н вектор напряженности магнитного поля плоской волны

дО) вектор напряженности магнитного вспомогательного поля

Н5 амплитуда напряжённости магнитного поля рассеяния

г радиус-вектор текущей точки наблюдения

г0 единичный орт радиуса-вектора точки наблюдения

площадь поверхности щели площадь поверхности сферы Бпл площадь поверхности пластины

Ж2р+1(/ЗС0,0) производная радиальной нечетной функции Матье-Бесселя Ж2р+1(/ЗС0,/Зг) порядка 2р+1 от аргумента рг по переменной г при г = г0= о

Ня{2р+1(/ЗС0,0) производная радиальной нечетной функции Матье-Ханкеля второго рода я^/иО^О»,/Зг) порядка 2р+1 от аргумента рг

8егР+\(РСц,ф) угловая нечетная функция Матье 2р+1 порядка для параметра рс0 от аргумента

¡V волновое сопротивление свободного пространства

А антенна

АК антенный кабель

Г генератор

ДМ делитель мощности

ДН диаграмма направленности

ИК измерительный кабель

КСВН коэффициент стоячей волны по напряжению

КНД коэффициент направленного действия

М макет антенны

НО направленный ответвитель

ПА приёмная антенна

Ф угол падения плоской волны

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Широкополосная щелевая турникетная антенна»

ВВЕДЕНИЕ

Существующие турникетные антенны на сегодняшний день не удовлетворяют характеристикам, предъявляемые к таким антеннам. Они имеют большие габаритные размеры, что увеличивает их парусность и массу, большую неравномерность диаграммы направленности (ДН) и узкую полосу согласования. Такие антенны не технологичны и очень сложны в изготовлении.

Реализация проекта частотно-территориального плана развёртывания покрытия цифрового телевизионного вещания требует замены существующих передающих антенн на более современные антенны. Потребность в новых передающих антеннах непосредственно в РФ составляет несколько тысяч штук. Такие антенны должны обеспечивать передачу сигналов нескольких передатчиков, работающих на разных частотных каналах и перекрывать один или несколько диапазонов телевещания. При этом, как правило, должна обеспечиваться круговая диаграмма направленности. Другим важным параметром для антенны является высокий уровень согласования антенны с фидером в широкой полосе частот.

Принципиальные технические вопросы построения антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости были решены ещё в 30-х годах прошлого столетия. Реализация этих принципов сводилась к тому, что вибраторы располагались либо нормально к оси опоры и питались токами, сдвинутыми относительно друг друга по фазе на угол, равный геометрическому углу между вибраторами, либо располагались параллельно стороне многоугольника (по периметру опоры).

Реализация таких принципов построения передающих антенн была успешно применена в метровом диапазоне частот, но в дециметровом диапазоне частот эти принципы труднореализуемы, т.к. в этом случае

необходимо, чтобы диаметр опоры был небольшой, что существенно снижает прочность конструкции антенны.

Для реализации вещания в дециметровом диапазоне частот применяют следующую конструкцию антенны. Антенны представляет собой 4, 6 или 8 этажную антенную решётку, основание такой антенны представляет собой четырёхугольную ферму, с каждой стороны которой располагают панельные антенны. Возбуждая каждую панель с необходимым сдвигом по фазе, получают круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но с очень плохой неравномерностью и с большими по уровню боковыми лепестками в вертикальной плоскости. Также такая антенны имеет очень большие габаритные размеры, большую массу, сложную конструкцию и сложна в эксплуатации.

Так же применяют антенны, где вибраторы располагаются по кругу опоры. Основным недостатком является то, что такие антенны имеют узкий диапазон согласование антенны с фидером и необходимо настраивать каждую антенну на определённый канал.

Эти примеры, описанные выше, показывают, что предложенные технические решения оказались недостаточными для решения задач осуществления перехода к многопрограммному телевизионному вещанию.

Потребовались новые технические решения, которые позволили бы осуществить цифровое телевизионное вещание в широком диапазоне частот. В связи с этим представляет интерес новый подход к построению передающих антенн в дециметровом диапазоне частот, предложенный в [60]. Основой подхода является то, что несущие опоры антенны вынесены по периметры антенны и могут быть использованы для укладки кабелей. Учтена дифракция электромагнитных волн на металлической полосе, что позволяет получить круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости с высокой равномерностью. При этом антенную решётку оказывается возможным построить из двух металлических пластин, расположенных

перпендикулярно друг другу. Для защиты антенны от атмосферных воздействий предназначен обтекатель, выполненный из стекловолокна, который не влияет на диаграмму направленности.

Обзор антенн для вещания в дециметровом диапазоне частот. Одним из известных вариантов турникетной антенны содержит два взаимно-перпендикулярных горизонтальных вибратора, питаемых со сдвигом по фазе в 90° ([50], [59]). Такая турникетная антенна имеет значительный уровень излучения под большими углами места, что делает их не пригодными в качестве одиночных излучателей для радиовещания и телевидения в диапазоне ультракоротких волн. Такая турникетная антенна имеет недостатки, обусловленные выносом плеч вибратора относительно вертикальной оси антенны:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±1.5дБ;

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенны;

- низкий коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания антенны.

Другая турникетная антенна ([18], [19]), содержит вертикальную опору в виде трубы, первую, вторую, третью и четвёртую плоские прямоугольные пластины, первый и второй фидеры, каждый из которых выполнен из двух коаксиальных кабелей, делителя мощности и крепёжных деталей. Первая и вторая пластины расположены в первой плоскости, проходящей через ось трубы, по разные стороны от трубы так, что одна из кромок параллельна оси

трубы и верхняя угловая точка пластины соединена с трубой с образованием первой и второй короткозамкнутой щелевой линии передачи. Первая и вторая пластина, по существу, служат плечами первого плоскостного вибратора, запитанного первой и второй щелевыми линиями передачи. Третья и четвёртая пластины расположены во второй плоскости, проходящей через ось трубы перпендикулярно к первой плоскости. Третья и четвёртая пластины совместно с трубой образуют третью и четвёртую щелевую линию передачи, питающую второй плоскостной вибратор, образованный третьей и четвёртой пластинами. Каждая щелевая линия передачи возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, расположенного внутри трубы. При этом внешний проводник кабеля гальванически соединён с трубой, а центральный проводник через отверстие в трубе выведен наружу и гальванически соединён с кромкой пластины в нижней угловой точке пластины. Соседние щелевые линии передачи запитаны с 90 градусным сдвигом по фазе относительно друг друга.

Такие антенны применялись в нашей стране на первых телевизионных станциях. Такая турникетная антенна также имеет недостатки:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±1.5дБ [27];

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн диаметр опоры, при его разумном электрическом размере, имеет небольшую величину и поэтому опора не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенны; применение опор большого диаметра приводит к недопустимой неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Указанные выше недостатки обусловлены тем, что опора находится между щелевыми линиями;

мал коэффициент использования поверхности антенны из-за неравномерного распределения тока по поверхности и, как следствие, мал коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания.

Известна ещё одна турникетная антенна, предложенная в [11]. Антенна состоит из опоры, четыре плоских пластины, четырёх перемычек, системы питания. Четыре плоских пластины расположены радиально с интервалом 90° вокруг проводящей трубчатой мачты, служащей опорой антенны. Одна кромка каждой пластины простирается параллельно мачте на близком расстоянии от неё. Эта кромка с помощью перемычек гальванически соединена в своих крайней верхней и крайней нижней точках с мачтой. Кромка каждой из пластин, расположенная вдали от мачты, выполнена с V-образным вырезом. В результате ширина пластины изменяется от одной восьмой длины волны в центре пластины до одной четвёртой длины волны на её концах. Две пластины, расположенные в одной плоскости представляют собой диполь Ж-образной формы. Каждое плечо возбуждается коаксиальным кабелем. Диполи турникетной антенны [18], [19] имеют больший коэффициент направленного действия, чем диполи турникетной антенны описанной в [50], [59].

Однако:

- коэффициент использования поверхности антенны меньше, чем это можно получить, например, при равномерном распределении тока вдоль одной координаты и косинусоидальном распределении тока вдоль другой координаты на поверхности антенны;

- под антенной из Ж-образных вибраторов приходится увеличивать диаметр опоры. Проблема диаметра опоры усугубляется, когда на этой же опоре выше необходимо расположить другие антенны, например, антенны других каналов. При большом разносе плеч Ж-образного вибратора, который

пришлось бы применить из-за большого диаметра опоры, уже невозможно обеспечить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости (неравномерность < 3 дБ), что необходимо для формирования зоны покрытия;

- Антенна имеет высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры;

- Сложна система питания антенны.

Известна ещё одна турникетная антенна [14], выполненная из четырёх треугольных веерообразных излучающих элементов, размещённых вокруг вертикальной мачты. Каждый излучатель монтируется на мачте с помощью двух металлических кронштейнов, имеющих гальванический контакт с излучателями в угловых точках, удалённых от мачты. Излучающие элементы запитаны равной мощностью с относительными фазами 0°, 90°, 180° и 270°. Такая турникетная антенна имеет более широкую полосу рабочих частот по сравнению полосой частот турникетных антенн, рассмотренных выше, однако обладает теми же недостатками, что и те антенны.

Известна другая широкополосная передающая телевизионная антенная система компании НПО «Кабельные сети» г. Санкт-Петербург [46]. Антенная система представляет собой турникет из 4-х этажей. На каждом этаже по кругу на опоре установлены 4 панельные антенны, что позволяет создать круговую ДН в горизонтальной плоскости. Основными недостатками данной антенны является:

- маленькая излучаемая мощность, не более 2 кВт;

- большие габариты такой антенной системы 900x900x4450 мм;

- неравномерность ДН в горизонтальной плоскости составляет ±ЗдБ.

Известна другая турникетная антенна «Сиваш» производства ОАО

«Март» г. Санкт-Петербург, которая имеет широкую полосу частот согласования антенны с фидером 470 - 860 МГц. Данная антенна также

представляет собой 4-х этажную антенную решетку, выполненную из панельных излучателей. Основными недостатками является ей большие массогабаритные характеристики: масса антенны достигает 350 кг, её габариты 5000x800x800 мм [15].

За рубежом широко представлена антенна компании «АиЭЕЫА». Данная антенна работает в полосе частот 470 - 860 МГц. Имеет хорошие массогабаритные характеристики: 364x364x1554мм, но небольшой коэффициент усиления всего 5 дБ и мощность излучения не более 1 кВт [2].

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является турникетная антенна [11], которая принята авторами за прототип.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования в настоящей работе является оригинальная щелевая турникетная антенна. Антенна состоит из металлических пластин расположенных перпендикулярно друг другу, в которых по всей длине прорезаны прямоугольные щели, полупериметр которых равен половине длине волны на средней рабочей частоте диапазона. Возбуждение антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля, каждая щель возбуждается своим кабелем. Согласующим устройством для такой антенны является отрезок коаксиального кабеля, который позволяет скомпенсировать реактивную составляющую сопротивления антенны в широкой полосе частот.

Предметом исследования являются электродинамические характеристики антенны и их зависимость от геометрических размеров антенны, методы согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.

Особенность данной оригинальной антенны заключается в поведении входного сопротивления антенны в диапазоне частот. Полоса частот, в пределах которой антенна имеет согласование с фидером при обеспечении КСВН ниже 1.2, может быть использована для излучения сигнала нескольких

передатчиков. Чем более широкой полосой рабочих частот обладает антенна, тем больше передатчиков она может обслуживать, нет необходимости настраивать антенну на определённую частоту. При этом должна обеспечиваться заданная диаграмма направленности. Поэтому предметом исследования в настоящей работе являются характеристики излучения антенны: входное сопротивление и диаграмма направленности.

Целью диссертационной работы является:

1) разработка численной модели предложенной антенны, обеспечивающей достаточную точность предсказания поведения параметров антенны, например, диаграммы направленности;

2) выявление основных закономерностей поведения входного сопротивления турникетной антенны посредством исследования разработанной численной модели;

3) экспериментальные исследования поведения согласования с фидером антенны.

Для достижения поставленной цели в работе предполагается:

1) разработать физическую модель конструкции предложенной турникетной антенны; применительно к физической модели решить электродинамическую задачу расчёта диаграммы направленности турникетной антенны; решение представить в виде суммы эллиптических функций;

2) на основе полученного решения вычислить диаграмму направленности, влияние размеров пластин на форму диаграммы направленности и определить размеры металлических пластин, при которых обеспечивается необходимая неравномерность диаграммы направленности;

3) исследовать поведение входного сопротивления антенны в диапазоне частот с использованием численной модели при

изменении одного или нескольких геометрических размеров антенны; произвести выбор оптимальных геометрических размеров антенны для образца антенны по полосе частот согласования антенны с фидером;

В первой главе разрабатывается физическая, математическая и численная модель турникетной антенны. При построении физической модели используется решение задачи дифракции электромагнитных волн на идеально проводящем цилиндре. С помощью полученного решения вычисляются диаграммы направленности при различных значениях длины пластин, из которых состоит антенна. Показана зависимость неравномерности диаграммы направленности от отношения ширины пластины антенны к длине волны.

Во второй главе производится исследование электродинамических характеристик численной модели предложенной антенны. Находятся зависимости от частоты реальной и мнимой частей входного сопротивления антенны, а также КСВН в фидере. Определяется поведение этих характеристик при изменении геометрических размеров антенны: длины согласующего отрезка, длины и ширины щели, ширины пластин, положение запитки относительно края щели. Исследованы ДН антенны в диапазоне частот.

В третьей главе описываются способы расширения полосы рабочих частот антенны. Рассмотрены способы возбуждения щелевой антенны. Исследовано влияние дополнительных щелей на полосу согласования антенны с фидером. Показаны частотные зависимости входного сопротивления антенны и КСВН в рабочей полосе частот при изменении геометрических размеров дополнительных щелей: длины щелей, положения относительно основной щели. Исследовано влияние дополнительных щелей на ДН антенны.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненные на макетах турникетной щелевой антенны. Для проведения экспериментов были изготовлены макеты щелевой антенны. В качестве фидера был использован коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.

Основные выводы по диссертационной работе сформулированы в заключении.

Научная новизна. К новым можно отнести следующие результаты работы:

1. В строгом выводе соотношений для расчёта амплитудных и фазовых диаграмм направленности двухсторонней щели конечной ширины, выполненной на идеально проводящей бесконечно тонкой ленте.

2. В обосновании оригинальных технических решений построения щелевой турникетной антенны, обеспечивающих широкую полосу согласования антенны с фидером. Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение № 2401492.

3. В найденных закономерностях влияния размеров ленты на амплитудную и фазовую диаграммы направленности двухсторонней щелевой антенны и амплитудную диаграмму направленности турникетной щелевой антенны.

4. В исследовании зависимости характеристик излучения предложенной ' антенны от размеров её излучающих и конструктивных элементов. С

помощью проведённых численных экспериментов определены оптимальные геометрические размеры антенны с точки зрения её согласования с фидером в диапазоне частот 470 - 860 МГц.

5. В доказательстве того, что открытый на конце отрезок линии передачи в качестве согласующего устройства обеспечивает компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне рабочих частот.

6. В найденных закономерностях влияния дополнительных пассивных щелей на реактивную составляющую входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне частот.

Теоретическую значимость и прикладную ценность представляют следующие результаты работы:

1. Разработана оригинальная турникетная щелевая антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения в дециметровом диапазоне длин волн, обеспечивающая согласование с фидером на уровне КСВ менее 1,2 в полосе частот, составляющей 60% от средней частоты. Конструктивная простота, технологичность, небольшой вес, надёжная защита от влияния метеорологических факторов, хорошее согласование с фидером во всём дециметровом телевизионном диапазоне волн обеспечивают антенне преимущества в сравнении с аналогичными антеннами, предлагаемыми для оснащения радиостанций цифрового телевизионного вещания. Антенна полезна для применения в системах радиосвязи, в аэродромных радиотехнических системах навигации и в системах посадки самолётов гражданской авиации.

2. Разработана физическая модель широкополосной щелевой турникетной антенны, обеспечивающая расчёт согласования с фидером, расчёт амплитудных и фазовых диаграмм направленности в дальней и ближней зонах с учётом всех размеров как непосредственно излучающих элементов антенны, так и всех без исключения конструктивных элементов антенны (таких как стойки и кронштейны в виде швеллеров), а также обтекателя антенны. Физическая модель полезна и для разработки двусторонних щелевых антенн, возбуждаемых коаксиальным кабелем в других диапазонах длин волн.

3. Разработаны методики по практической реализации устройств возбуждения щелей и их согласования с фидером.

4. Установлены закономерности в поведении согласования антенны с фидером в зависимости от размеров возбуждаемой щели, пластины, в которой выполнена щель, размеров пассивных щелей, размеров конструктивных элементов антенны. Показано, что наилучшее согласование достигается на резонансных частотах. При этом первая резонансная частота определяется периметром поперечного сечения пластины, вторая обуславливается размером возбуждаемой щели, последующие резонансные частоты определяются размерами пассивных щелей.

5. Разработана методика параметрического синтеза антенны по критерию максимальной ширины полосы согласования антенны с фидером. Определены оптимальные параметры антенны, предназначенной для работы в диапазоне частот 470 - 860 МГц.

6. Результаты исследования диссертации применены для создания антенны дальнего контроля курсового маяка в системе инструментального обеспечения посадки СП-200 самолётов гражданской авиации ОАО "Челябинский радиозавод "Полёт".

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были доложены на:

1) ежегодных конференциях для аспирантов и докторантов ЮжноУральского государственного университета (Челябинск, 2009 - 2011 гг.);

2) 52-й научной конференции Московского физико-технического института - Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2009 г.);

3) международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2010» (Екатеринбург, 2010 г.);

4) международной научно-практической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2011 г.)

Выступления получили одобрение в научных кругах, а результаты использованы в дальнейшей работе. По результатам работы опубликован патент [60], четыре доклада [29], [31], [33], [34] и две статьи [30], [32].

На защиту выносятся:

1. Методика проектирования широкополосной турникетной щелевой антенны, заключающийся в замене антенной опоры в виде трубы, расположенной в центре антенны, пространственной решёткой, несущие элементы которой размещены по периметру антенны, позволяет создать более надёжные и прочные конструкции щелевых турникетных антенн.

2. Физическая модель широкополосной турникетной щелевой антенны, основанная на строгом решении задачи дифракции плоской электромагнитной волны на идеально проводящем эллиптическом цилиндре.

3. Методика применения отрезка линии передачи с отрытым концом и пассивных щели в качестве согласующих устройств позволило увеличить ширину полосы согласования антенны с фидером в 12 раз по сравнению шириной полосы при стандартном способе возбуждения щелевой антенны.

4. Закономерности в поведении электродинамических характеристик предложенной антенны в зависимости от размеров её излучающих и конструктивных элементов.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Клыгач, Денис Сергеевич

Вывод

Создана новая турникетная антенна, обеспечивающая излучение сигналов в широкой полосе частот и тем самым решающая проблему перехода цифровое телевизионное вещание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Клыгач, Денис Сергеевич, 2013 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Agilent Technologies, EEsof EDA, Momentum, http://eesof.tm.agilent.com/products/momentum_main.html

2. AHTeHHa«Aldena»http://www.aldena.it/images/catalogo/pdf/41_ats0807920 _aldena%20 l-2010.pdf

3. MAGMAS 3D, http://www.esat.kuleuven.be/telemic/antennas/magmas/

4. IE3D v. 11.2 user manual. Zeland Software, Inc.,Jan 2006, http://www.zeland.com

5. FEKO Suite 5.3 user manual. EMSS —EM Software & Systems Ltd, Jan 2006, http://www.emss.co.za

6. HFSS v. 10.1.1 user manual. Ansoft Corporation,Jul 2006, http://www.ansoft.com CST Microwave Studio 2006 user manual. CST GmbH — Computer Simulation Technology, 2006, http://www.cst.com

7. Robert W. Masters, Erlton, N.J. Antenna. Пат. 2480153 США. -МКИ H 01 Q 0/0. - assignator to RadioCorporation of America, a corporation of Delaware, -№ 574898. - Заявл.27.01.45. -0публ.30.08.49. -НКИ 343/700 MS.

8. Lamberty B.I., 1958 IRE Wescon/Conv. Rec. pt. 1,251 -259 (1958)

9. Rohe & Schwarz. Sound and TV broadcasting. - 1986. - pp. 264 - 277/

10. Robert W. Masters, Erlton, N.J. Antenna. Пат. 2480154 США. -МКИ H 01 Q 0/0. - assignator to RadioCorporation of America, a corporation of Delaware, -№ 574899. - Заявл.27.01.45. -0публ.30.08.49. -НКИ 343/700 MS.

11. Masters R.W. Antenna. US patent №2480154

12. Vaughan M. J., Hur K. Y., Compton R. C. Improvement of microstrip patch antenna radiation patterns // IEEE Trans Antennas Propag, vol 42. 1994.

13. Yook J.-G., Katehi L. P. B. Micromachined microstrippatch antenna with controlled mutual coupling and surface waves // IEEE Trans Antennas Propag, vol 49. 2001.

14. Woodward O.W. Broadband turnstile antenna. US patent №3932874)

15. Антенна «СИВАШ» компании ОАО «МАРТ» г. Санкт - Петербург http://www.martspb.ru/prod_view-idl-17-id2-id3~item-246.html

16. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. М., Связь, 1977. 384с. ил.

17. Боровиков В.А., Кинбер Б.Е. Геометрическая теория дифракции. - М.: Связь, 1978.-248 е., ил.

18. Брауде Б.В.. Плоскостной вибратор. Авторское свидетельство №69974 СССР.- Приоритет 12.04.1946. Опубл. 31.12.1947.

19. Брауде Б.В. Новая широкополосная УКВ антенна для телевидения. -Радиотехника, 1947, №7.

20. Брауде Е.Б. Развитие техники антенн // Радиотехника. - 1969. - №26. с. 1 - 11.

21. Бруснецов Н.П. О волновых функциях эллиптического цилиндра. Вестник Московского университета, 1954 г. №9, математика.

22. Васильченко А., Схольц И., Раад В., Ванденбош Г. Качественная оценка вычислительных методов электродинамики // Технологии в электронной промышленности, №3, 2008г., с. 52 - 56.

23. Вова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982 - 282с.

24. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Под ред. Г.З. Айзенберга. -М.: Связь, 1971.

25. Вычислительные методы в электродинамике: Под ред. Р. Митры. Пер. с англ. / Под ред. Э.Л. Бурштейна. - М.: Мир, 1977.

26. Драбкин A.JL, Коренберг Е.Б., Меркулов С.Е. Антенны - 2-е изд. -Радио и связь, 1995. - 152 е.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1215)

27. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Учебник для вузов. - М.: Радио и связь. - 1996. Стр.180.

28. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ (Радиотехнический расчёт и проектирование). М., «Сов. радио», 1974, 240 стр.

29. Клыгач, Д.С. Турникетная антенна для вещания цифрового телевидения [Текст] / Д.С. Клыгач // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: М.: МФТИ, 2009. Часть I. Радиотехника и кибернетика. Том 1 -С. 149- 154.

30. Клыгач Д.С., Войтович Н.И., Репин H.H. Антенна дециметровых волн // Труды международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2010» / Екатеринбург, 2010.

31. Клыгач Д.С. Возбуждение щелевого излучателя электромагнитных волн в турникетной антенне // Материалы Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Физика / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2010. 367 с.

32. Клыгач Д.С., Войтович Н.И. Влияние фазовых диаграмм направленности щелевых излучателей на диаграмму турникетной щелевой антенны // Вестник ЮУрГУ №2 (219) «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» выпуск 13. с. 34-39

33.Клыгач Д.С., Войтович Н.И., ХашимовА.Б. Поле излучения двухсторонней щелевой антенны. //Вестник ЮУрГУ №23 (282)

«Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» 2012, выпуск 16, с. 135-142.

34.Клыгач Д.С., Войтович Н.И., ХашимовА.Б. Математические модели щелевых антенн. //Вестник ЮУрГУ №25 (294) «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника» 2012, выпуск 17, с. 6-10.

35. Клыгач Д.С. Влияние обтекателя на параметры турникетной антенны. // Научный поиск: материалы второй научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - Т.2. - 200 с.

36. Клыгач Д.С. Математическая модель турникетной антенны. // Научный поиск: материалы третьей научной конференции аспирантов и докторантов. Технические науки. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. - Т.2. - 200 с.

37. Концепция федеральной целевой программы "Развитие телерадиовещания в Российской Федерации на 2009-2015гг." www.minsvyaz.ru

38. Кочержевский Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства: Учебник для вузов/ Г.Н. Кочержевский, Г.А. Ерохин, Н.Д. Козырев. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 е.: ил.

39. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1977.

40. Курушин А.А., Пластиков А.Н. Проектирование СВЧ устройств в среде CST Microwave Studio. - М. Издательство МЭИ, 2010, 160 стр.

41. Заявка на патент Российской Федерации на полезную модель № 2008114481/22 от 14.04.2008 г. «Оправка для изготовления труб из стеклопластика» автор Асташкин В.М.

42. Ильинский, А.С. Математические модели электродинамики/ А.С. Ильинский, В.В. Кравцов, А.Г. А.Г. Свешников - М: Высшая школа, 1991.

43.Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. Пособие для вузов. - М.: Сов. Радио, 1979.-376 с.

44. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. - М.: Радио и связь, 1983.

45. Мевис А.Ф. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Под ред. O.A. Луппова. - М.: Радио и связь, 1984.- 152 с, ил.

46. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Наука, 1989.

47. ОСТ 107.460409.001-89 «Станции радиолокационные обнаружения наземные. Методы расчета гололедно-ветровых нагрузок».

48. Панельная антенна TVA НПО «Кабельные сети» http://kseti.spb.ru/Catalog.php7incN611

49. Пистолькорс A.A., Бахрах Л.Д., Курочкин А.П. Развитие отечественной антенной техники (к 100-летию изобретения радио) // Радиотехника. - 1995. - №7 - 8. - с. 26 - 41.

50. Подготовка научно-педагогических и научных кадров в системе послевузовского профессионального образования: методические рекомендации / сост. Н.П. Жиленкова, Л.Ф. Иванова; под ред. С.Д. Ваулина. - 2-е изд., перераб. и доп. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010.-252 с.

51. Потапов Ю. CST Microwave Studio 5.0. - EDA EXPERT, 2004, вып. 4, С. 36-41.

52. Рам л ay П.Н., Пистолькорс A.A.. Патент на изобретение №17427. -Класс 21 а1, 4603. - Заявл. 21.12.1929, №60752. - Опубл. 30.09.1930.

53. Райцын Д.Г. Электрическая прочность СВЧ устройств. - М.: «Сов. радио», 1977, 168 с.

54. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. - 3-е изд., доп. - М.: Энергия, 1979.-320 е., ил.

55. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1988. - 432 е.: ил.

56. МАТЬАВ 7. Самоучитель. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2006. -256 е.: ил.

57. Сверхширокополосные антенны под ред. Бененсона Л.С., Издательство «Мир», 1964г., 418 с.

58. Сидоров Ю.В., Федорюк М.Ш., Шабунин М.И. Лекции по теории функций комплексного переменного: Учеб. Для вузов.-3-е изд., испр. -М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1989.-490 с.

59. Справочник по специальным функциям (С формулами, графиками и математическими таблицами) под ред. М. Абрамовича и И. Стигана. М., 1979г., 832 стр. с илл.

60. Справочник по антенной технике: Справ, в 5т. Т. 1. / Л.Д. Бахрах, С74 Л.С. Бенинсон, Е.Г. Зелкин и др; Под ред. Я.Н. Фельда, Е.Г. Зелкина. -М.: ИПРЖР, 1997. - 256.: ил.

61.Трусканов Д.М. Развитие отечественной техники телевизионных передающих антенн. Сборник "Антенны".- М: Связь.- №2, 1967.

62. Широкополосная турникетная антенна: пат. 2401492 Рос. Федерация МПК7 Н 01 0 13/00 Войтович Н.И., Клыгач Д.С., Репин Н.Н. -№2009133771/07, 08.09.2009. приоритет 08.09.2009.

63. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн: Пер. с нем. - М.: Мир, 1989.-449 е., ил.

64. Фельд Я.Н., Бененсон Л.С. Основы теории антенн: учебное пособие для ВУЗов / - 2-е изд., перераб. - М.: Дрофа, 2007. - 491 с.

65. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. - 288с.: ил.

66. Янке Е, Эмде Ф., Лёш Ф.. Специальные функции (Формулы, графики, таблицы) М., 1964 г., 344 стр. с илл.

Список рисунков Глава 1

Рис. 1.1. Геометрия двусторонней щелевой антенны..............................21

Рис. 1.2. Падение плоской волны на эллиптический цилиндр.....................35

Рис. 1.3. Эллиптическая система координат..........................................36

Рис. 1.4. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ¿/¿=1...........................38

Рис. 1.5. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ¿/¿=2............................38

Рис. 1.6. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых=Ъ............................38

Рис. 1.7. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ¿/я=4...........................39

Рис. 1.8. Система координат..............................................................40

Рис. 1.9. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ¿/¿=1............................41

Рис. 1.10. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых = 2..........................41

Рис. 1.11. Амплитудная ДН щелев ого излучателя, ых=3..........................42

Рис. 1.12. Амплитудная ДН щелевого излучателя, их— 4..........................42

Рис. 1.13. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых-1..........................43

Рис. 1.14. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых =2..........................43

Рис. 1.15. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых=3..........................44

Рис. 1.16. Амплитудная ДН щелевого излучателя, ых =4..........................44

Рис. 1.17. Фазовая ДН щелевого излучателя, ых=1................................46

Рис. 1.18. Фазовая ДН щелевого излучателя, ых-2................................46

Рис. 1.19. Фазовая ДН щелевого излучателя, ых=3................................46

Рис. 1.20. Фазовая ДН щелевого излучателя, ых= 4................................46

Рис. 1.21 Амплитудная ДН турникетной антенны, ¿,/¿=1.........................49

Рис. 1.22. Амплитудная ДН турникетной антенны, ых= 2.........................49

Рис. 1.23. Амплитудная ДН турникетной антенны, ых=Ъ........................49

Рис. 1.24. Амплитудная ДН турникетной антенны, ых =4........................49

Рис. 1.25 Амплитудная ДН турникетной антенны, ых=1.........................50

Рис. 1.26. Амплитудная ДН турникетной антенны, ых=2.........................50

Рис. 1.27. Амплитудная ДН турникетной антенны, их=Ъ........................51

Рис. 1.28. Амплитудная ДН турникетной антенны, ых= 4........................51

Рис. 1.29. Амплитудная ДН турникетной антенны..................................51

Рис. 1.30 Диаграммы рассеяния на полосе............................................58

Рис. 1.31 Нормированные ДН щелевой антенны одностороннего

излучения....................................................................................59

Рис. 1.32 ДН турникетной щелевой антенны.........................................60

Глава 1

Рис. 2.1. Зависимость активной и реактивной составляющей входного

сопротивления антенны от частоты для исходной модели антенны............68

Рис. 2.2. Зависимость КСВ от частоты для исходной модели антенны........69

Рис. 2.3. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от

частоты при различных длинах щелевого излучателя.............................70

Рис. 2.4. Зависимость реактивной части входного сопротивления антенны от

частоты при различных длинах щелевого излучателя..............................71

Рис. 2.5. Зависимость КСВ антенны от частоты при различных длинах

щелевого излучателя......................................................................71

Рис. 2.6. Изменение длины щелевого излучателя...................................72

Рис. 2.7. Зависимость сопротивления щели от длины

щелевого излучателя......................................................................74

Рис. 2.8. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от

частоты при различных длинах согласующего отрезка...........................77

Рис. 2.9. Зависимость реактивной части входного сопротивления антенны от

частоты при различных длинах согласующего отрезка...........................77

Рис. 2.10. Зависимость КСВ антенны от частоты при различных длинах

согласующего отрезка.....................................................................78

Рис. 2.11. Зависимость входного сопротивление разомкнутого на конце коаксиального кабеля при различных длинах согласующего отрезка..........79

Рис. 2.12. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от

частоты при различной ширине пластины............................................80

Рис. 2.13. Зависимость реактивной части входного сопротивления антенны

от частоты при различной ширине пластины........................................81

Рис. 2.14. Зависимость КСВ антенны от частоты при различной ширине

пластины.....................................................................................81

Рис. 2.15. Зависимость активной части входного сопротивления антенны от

частоты при различном положении точки возбуждения...........................84

Рис. 2.16. Зависимость реактивной части входного сопротивления антенны

от частоты при различном положении точки возбуждения.......................85

Рис. 2.17. Зависимость КСВ антенны от частоты при различном положении

точки возбуждения........................................................................85

Рис. 2.18. Изменение положения точки возбуждения относительно края

щелевого излучателя.......................................................................86

Рис. 2.19. Изменение положения точки возбуждения относительно края

щелевого излучателя.......................................................................87

Рис. 2.20. Изменение положения точки возбуждения относительно края щелевого излучателя.......................................................................88

Глава 3

Рис. 3.1. Способ возбуждения щелевой антенны....................................94

Рис. 3.2. Зависимость реальной части сопротивления щели от частоты......95

Рис. 3.3. Зависимость реальной части сопротивления щели от частоты......95

Рис. 3.4. Зависимость мнимой части сопротивления щели от частоты........96

Рис. 3.5. Зависимость мнимой части сопротивления щели от частоты........96

Рис. 3.6. Способ возбуждения щелевой антенны и согласование с помощью

отрезка коаксиальной линии передачи................................................98

Рис. 3.7. Входное сопротивление отрезка коаксиальной линии разомкнутого на конце......................................................................................99

Рис. 3.8. Графики зависимости входного сопротивления щелевой антенны

при возбуждении с помощью согласующего отрезка....................................100

Рис. 3.9. Модель щелевой антенны с пассивными щелями.....................103

Рис. 3.10. Зависимость КСВ от частоты для щелевой антенны с

пассивными щелями.....................................................................103

Рис. 3.11. Зависимость входного сопротивления щелевой антенны с

пассивными щелями от частоты.......................................................104

Рис. 3.12. Зависимость входного сопротивления щелевой антенны от частоты

при изменении длины пассивных щелей............................................106

Рис. 3.13. Зависимость КСВ щелевой антенны от частоты при изменении

длины пассивных щелей................................................................107

Рис. 3.14. Зависимость входного сопротивления щелевой антенны от частоты

при изменении положения пассивных щелей по вертикали.....................109

Рис. 3.15. Зависимость КСВ щелевой антенны от частоты при изменении

положения пассивных щелей по вертикали.........................................110

Рис. 3.16. Зависимость входного сопротивления щелевой антенны от частоты

при изменении положения пассивных щелей по горизонтали..................111

Рис. 3.17. Зависимость КСВ щелевой антенны от частоты при изменении

положения пассивных щелей по горизонтали......................................112

Рис. 3.18. Зависимость входного сопротивления щелевой антенны от частоты

при изменении длины согласующего отрезка......................................113

Рис. 3.19. Зависимость КСВ щелевой антенны от частоты при изменении

длины согласующего отрезка..........................................................114

Рис. 3.20. Модель щелевой антенны с пассивными щелями....................116

Рис. 3.21. Зависимость КСВ щелевой антенны с одной и двумя парами

пассивных щелей.........................................................................116

Рис. 3.22. Сравнение ДН щелевой антенны........................................117

Рис. 3.23. Зависимость входного сопротивления от частоты для щелевой

антенны.....................................................................................119

Рис. 3.24. Зависимость КСВ от частоты для щелевой антенны.................119

Глава 4

Рис. 4.1. Схема соединений при измерении ДН турникетной антенны.......125

Рис. 4.2. Макет турникетной антенны в разобранном виде.....................126

Рис. 4.3. Фото макета щелевой антенны.............................................128

Рис. 4.4. Фото макета турникетной антенны.......................................128

Рис. 4.5. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 2 - 4 в плоскости вектора Е.........................129

Рис. 4.6. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 3 - 5 в плоскости вектора Е.........................129

Рис. 4.7. Диаграмма направленности турникетной антенны

в плоскости вектора Е..................................................................130

Рис. 4.8. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 2 - 4 в плоскости вектора Е.........................132

Рис. 4.9. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 3 - 5 в плоскости вектора Е.........................132

Рис. 4.10. Диаграмма направленности турникетной антенны в плоскости

вектора Е для второго макета антенны..............................................133

Рис. 4.11. Третий макет турникетной антенны....................................136

Рис. 4.12. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 2 - 4 в плоскости вектора Е.........................137

Рис. 4.13. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны,

выполненной на пластинах 3 - 5 в плоскости вектора Е.........................137

Рис. 4.14. Диаграмма направленности турникетной антенны

в плоскости вектора Е...................................................................138

Рис. 4.15. КСВН макета и модели турникетного щелевого излучателя.......138

Рис. 4.16. Четвёртый макет турникетной антенны в разобранном виде......141

Рис. 4.17. Фото четвёртого макета антенны.........................................142

Рис. 4.18. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой

антенны в плоскости вектора Е........................................................142

Рис. 4.19. Диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны в

плоскости вектора Н.....................................................................143

Рис. 4.20. Пятый макет антенны.......................................................145

Рис. 4.21. Фото макета антенны.......................................................147

Рис. 4.22 Диаграммы направленности в плоскости Е излучателей

турникетной щелевой антенны........................................................148

Рис. 4.23. Диаграмма направленности в плоскости Н

турникетной антенны....................................................................149

Рис. 4.24. КСВН макета турникетного щелевого излучателя...................149