О методике расчета малогабаритных низкопрофильных антенн
Петров М.А.
Малогабаритная низкопрофильная антенна, широко используемая на практике (рисунок 1), представляет собой «плохо излучающий» комбинированный шлейф, разомкнутый на одном конце и замкнутый на другом.
Рисунок 1. Общий вид излучателя.
Короткозамкнутое плечо выполняет функцию «излучающей индуктивности», разомкнутое плечо - емкостного элемента, настраивающего всю систему в резонанс. Принципиальная возможность реализации малогабаритных антенн состоит в том, что по мере уменьшения размеров свойства антенны как излучающей структуры утрачиваются не сразу, а постепенно, и это сопровождается ростом добротности антенны как резонатора. В результате при относительно малом входном токе в коротко-замкнутом плече и в начале разомкнутого плеча возбуждаются весьма значительные токи, многократно превышающие входной. Это делает необходимым учет конечной проводимости металла. Наличие заметных тепловых потерь снижает КПД антенны, изменяет ее входное сопротивление и резонансную частоту [1].
Ниже приводятся некоторые результаты исследования малогабаритной низкопрофильной антенны, выполненной на основе полоскового проводника (прямоугольной формы в плане). Материал - нержавеющая сталь. В качестве короткозамыкате-ля использовался аналогичный полосок такой же ширины. Полосок и короткозамыкатель моделировались проволочной сеткой, содержащей 7 продольных тонких проводников с радиусом в 10 раз меньшим расстояния между осями проводников. Кроме того, в модель введены поперечные проводники с тем же радиусом и с шагом, вдвое превышающим расстояние между продольными проводниками.
Геометрические параметры антенны:
- зазор между проводником шлейфа (полос-ком) и экраном - 0,0347Л;
- полная длина проводника шлейфа - 0,2095Л;
- расстояние от возбуждающего штыря до короткозамыкателя - 0,035Л;
- ширина полоска - 0,0522Л Дополнительно были проведены расчеты для этой же антенны, но без учета потерь.
На рисунке 2 приведены графики частотных зависимостей составляющих входного импеданса, найденных с учетом и без учета потерь (f- текущая частота, f0 - резонансная частота, определенная с учетом потерь). Активной составляющей импеданса R соответствуют сплошные кривые, реактивной Х- штриховые. Кривые 1 получены с учетом потерь, кривые 2 - без учета.
Рисунок 2. Расчетные частотные характеристики составляющих входного импеданса,
полученные с учетом и без учета тепловых потерь.
Из представленных данных видно, что учет потерь в рамках решения электродинамической задачи дает заметную поправку к величине активного сопротивления на резонансе и к значению резонансной частоты (что очень важно, учитывая уз-кополосность антенны).
Известно, что высокие добротности приводят к трудностям при согласовании. Однако при построении дуплексных систем подвижной радиосвязи на основе низкопрофильных излучателей имеется возможность использования отдельных излучателей для поддиапазонов приема и передачи. При этом принципиально возможно не только согласование излучателей в узких полосах, но и извлечение практической пользы из высокой добротности низкопрофильных излучателей. Речь идет об использовании этого свойства при построении частотно-разделительных цепей именно в составе дуплексных систем. Высокая добротность низкопрофильных излучателей дает возможность использовать их же в качестве частотно-избирательных элементов согласующей цепи, в результате чего последняя существенным образом упрощается.
Рассмотрим дуплексную приемо-передаю-щую антенную систему (АС), состоящую из двух низкопрофильных излучателей, которые могут быть реализованы практически в едином корпусе. Один излучатель работает на частоте приема/] и представляет собой приемную антенну, другой - на частоте передачи f2 (f2=1,1f1) - передающую антенну. Каждый из излучателей представляет собой F-образную высокодобротную низкопрофильную антенну, в которой излучающий элемент выполнен в виде изогнутого полоска, короткозамкнутого (электрически соединенного с основанием) на одном конце и разомкнутого на другом. Внешний вид типового излучателя схематически представлен на рисунке 1. Конструкции излучателей аналогичны и отличаются лишь размерами, определяемыми соответствующими значениями длины волны. Необходимая величина активной составляющей входного сопротивления излучателя на резонансе обеспечивается выбором длины плеч и положения точки питания [3].
Объединение излучателей подобного типа в двухчастотную (дуплексную) АС, благодаря их высокой добротности, может быть выполнено на основе простейшего разветвителя с использованием самих высокодобротных излучателей в качестве частотно-избирательных элементов для развязки сигналов приема и передачи в АС. Схема антенной системы приведена на рисунке 3. Излучатели представлены эквивалентными схемами замещения, в которых частотные свойства излучателей описываются отрезками линий, а сопротивление излучения, приведенное к точке питания, моделируется дополнительным резистором. Длины шлейфов l1 и l1' соответствуют длинам короткозамкну-тых плеч приемного и передающего излучателей, а l2 и l2' - разомкнутых плеч приемного и передающего излучателей соответственно.
Активная нагрузка G0 соответствует активной входной проводимости излучателей, согласованных на соответствующих резонансных частотах; lЛ1 и lл2 - трансформирующие (фазирующие) отрезки линий, выполненные на основе коаксиального кабеля. Из рисунка 1 видно, что длина короткозамкнутого плеча определяется суммой L, t и h; t - толщина полоска, ширина - w, а его общая длина (с учетом высоты К) равна четверти длины волны рабочей частоты излучателя.
Отрезки кабеля lЛ1 и 1л2 рассматриваются как две линии передачи. Для каждой линии соответствующий излучатель является нагрузкой. Необходимо подобрать длины трансформирующих отрезков коаксиального кабеля lЛ1 и lл2 таким образом, чтобы в каждом из них на частоте работы соседнего излучателя в сечении параллельного соединения (точка О на рисунке 3) устанавливалась пучность напряжения. Из теории длинных линий [4] известно, что пучность напряжения в начале линии возникает при резонансе токов, который характеризуется максимальным для конкретной линии значением входного сопротивления, причем оно имеет чисто активный характер. При этом, благодаря высокой добротности излучателя, режим в кабеле на «чужой» частоте близок к режиму стоячей волны и указанное сопротивление получается весьма значительным. В результате обеспечивается существенное снижение взаимного шунтирования.
Рисунок 3. Эквивалентная схема АС.
Таким образом, необходимо, чтобы на частоте передачи f2 входная проводимость тракта приемной антенны Yвх1 для сигнала передачи принимала минимальное (по модулю) значение. На частоте приема f1 минимальной должна быть входная проводимость тракта передающей антенны Yвх2.