Еще раз о монополе с изюминкой
Tom Warnagiris, Southwest Research Institute
https://www.microwavejournal.com/articles/785-a-monopole-with-a-twist-revisited
Несколько лет назад была разработана новая антенна для удовлетворения растущей потребности в компактных широкополосных антеннах [1,2]. Новая антенна была представлена ??как новая спиральная конфигурация, которую лучше всего можно назвать малой спиралью с конической областью - TASH (Tapered Area Small Helix). Оригинальная работа вызвала интерес Центра исследований и разработок в области связи и электроники армии США (CERDEC), Ft. Монмут, штат Нью-Джерси, армейскому агентству, которому требуются широкополосные низкопрофильные антенны. По запросу CERDEC один из оригинальных монополей TASH был предоставлен для оценки в полевых условиях. Результаты были настолько обнадеживающими, что было запрошено предложение по расширению частоты базовой монопольной структуры TASH. Было принято предложение по оптимизации полосы пропускания КСВ антенны λ. Принятое предложение преследовало несколько взаимосвязанных целей. Первой целью было определить, может ли монопольная антенна TASH обеспечить низкий КСВН в диапазоне, превышающем октавную, и если да, то какие существуют ограничения. Как только ограничения антенны были поняты, был разработан набор рекомендаций по проектированию для создания монополя TASH для любого желаемого диапазона частот. Конечная цель состояла в том, чтобы использовать рекомендации по проектированию для проектирования, сборки и испытаний одного или нескольких прототипов антенн, подходящих для полевой демонстрации широкополосных характеристик в диапазоне от 225 до 2000 МГц. Сравнительные испытания должны были быть проведены государственным учреждением после поставки прототипа антенн.
Технический подход
Первоначальной задачей было определить технические требования к желаемой антенне TASH, охватывающей диапазон от 225 до 2000 МГц. Технический подход к удовлетворению этих требований заключался в выполнении как компьютерного моделирования, так и аппаратной проверки потенциальных конфигураций TASH. В качестве отправной точки была использована предыдущая работа по антенне TASH от 225 до 450 МГц [1]. Предыдущие исследования показали, что монополь TASH с числом витков от 1,5 до 2,0 витков даст более высокий КСВ, чем монополь TASH с 2 или 3 витками, но с гораздо более широкой полосой пропускания. Было также замечено, что многие версии монополей TASH с соотношением высоты и диаметра 10:1 (конструкции от 225 до 450 МГц) имели низкий КСВ, за исключением одной области на одну-две октавы выше самой низкой полезной частоты. Эти наблюдения и антенна сравнения были использованы в качестве основы для серии симуляций.
Антенной для сравнения в проекте расширения частоты TASH была дискообразная антенна. Дискон представляет собой несбалансированный излучатель с одной поляризацией, обеспечивающий КСВ менее 3:1 в диапазоне более четырех октав. Другие антенны семейства дисконных включают биконус и одинарный конус над плоскостью земли. Все эти антенны способны обеспечивать низкий КСВ в широкой полосе пропускания, хотя дисконусная антенна, вероятно, более популярна, поскольку ее можно использовать как с заземляющим слоем, так и без него. Дисконусный КСВ и характеристики излучения представляли собой целевые характеристики широкополосного монополя TASH.
Моделирование
В конце концов, были проведены сотни симуляций GNEC-4 и WIPL-D (еще одно программное приложение MoM) для оценки полосы пропускания КСВ различных конфигураций антенн TASH. В ходе ранних симуляций было обнаружено, что соотношение базовой длины к высоте треугольного элемента TASH можно варьировать для создания многих симуляций с низким КСВ. Следовательно, это соотношение было уменьшено, чтобы обеспечить минимальную площадь элемента, которая все еще способна обеспечить низкий КСВ в диапазоне от 225 до 2000 МГц. Считалось, что воспроизвести элемент большой площади будет труднее, чем элемент меньшего, даже если диаметр прокатки может быть одинаковым. Используя этот подход, было проведено несколько симуляций, которые дали приемлемые результаты (номинальный КСВ 3:1 или менее в диапазоне от 225 до 2000 МГц).
Одна из ранних конфигураций, представляющих это моделирование, показана на рисунке 1. Высота моделируемого элемента составляет 0,295 м, диаметр 0,165 м. Смоделированный КСВ для этой конфигурации показан на рисунке 2. Дальнейшее моделирование было выполнено в сочетании с измерениями на латунной плате, что привело к дальнейшему уменьшению размера антенны и улучшению КСВ.
Рис. 1. Ранняя конфигурация монополя TASH от 225 до 2000 МГц.
Рис. 2. Смоделированная зависимость КСВН от частоты для раннего монополя TASH.Результаты моделирования показали, что низкий КСВН (<3) был возможен только тогда, когда диаметр элемента TASH был большим (от 0,5 до 1,0 раза превышающим высоту элемента TASH). Расстояние между спиралями не оказывало существенного влияния на КСВН (увеличение более чем в 3 раза), если диаметр находился в пределах 50 ± 10 процентов от высоты элемента. Было обнаружено, что расстояние от земли было более важным. Расстояние порядка двух процентов от высоты элемента TASH обеспечивает самый низкий широкополосный КСВ. Более низкие или более высокие процентные интервалы ухудшали КСВ на некоторых частотах в диапазоне от 10 до 1. Расположение точки питания на элементной базе TASH является наиболее важным параметром моделирования монополя TASH. Изменение местоположения точки питания существенно меняет распределение тока на элементе TASH. Перемещение точки питания к центру основания (пересечение xy) приводит к высокому КСВ в узком диапазоне частот вблизи нижнего края интересующей полосы. КСВН становится лучше, а диапазон частот плохого КСВН сужается по мере удаления точки питания от центра. Точку питания обычно можно найти там, где КСВ является приемлемым (< 3) на большинстве частот в диапазоне как минимум от 10 до 1.
Оптимизация конструкции
Измерения, выполненные в ходе проекта, в основном включали входной КСВН и диаграммы направленности антенны в интересующем диапазоне частот. Ряд испытаний был проведен на антеннах TASH, установленных на небольшой лабораторной (внутренней) заземляющей пластине и большой наружной заземляющей пластине. Измерение КСВ различных конфигураций TASH и латунных плат первоначально проводилось в лаборатории на небольшой заземляющей пластине. Если конфигурация была многообещающей, то для проверки результатов моделирования проводились дополнительные испытания на большом открытом заземляющем слое. Хорошая корреляция КСВН была обнаружена между моделированием и измерениями на небольшой заземляющей пластине (0,47 ? 0,56 м) и внешней заземляющей пластине КСВН во всем диапазоне от 225 до 2000 МГц.
Рис. 3. Монополь TASH уменьшенного размера от 225 до 2000 МГц.Первоначальное моделирование было сосредоточено на монополях TASH с отношением высоты к диаметру от 5 до 10. Позже было обнаружено, что это соотношение должно быть порядка 2, чтобы устранить состояние высокого КСВ выше первой октавы. После многих симуляций и измерений на медной плате основное внимание было уделено оптимизации КСВ двух конфигураций монополя TASH. Первая конфигурация представляла собой монополь TASH с высотой и диаметром 1,8, питаемый в точке примерно на 10–20 процентов от вертикального края базовой спирали. Вторая конфигурация также имела высоту к диаметру примерно 2, но меньшего объема. Вторая конфигурация, как показано на рисунке 3, отличалась от первой тем, что она подавалась к основанию вертикального края, хотя база также была закорочена на землю примерно на 25 процентов от кончика базы. Эта вторая конфигурация была выбрана в качестве окончательной конфигурации прототипа прежде всего из-за ее меньшего объема.
На рисунке 4 показан смоделированный график зависимости КСВ от частоты для второй конфигурации. Рисунок 5 представляет собой измерение прототипа, настроенного так же, как при моделировании.
Рис. 4. Смоделированная зависимость КСВН от частоты
для монополя TASH уменьшенного размера.
Рис. 5. Измеренная зависимость КСВН от частот
для монополя TASH уменьшенного размера.Излучение
Излучение антенны TASH сложное. В дополнение к линейному монопольному режиму и спиральным режимам излучения структура TASH поддерживает третий режим излучения, примером которого является класс антенн, известных как антенны линии передачи. Примеры антенн линии передачи включают хорошо известную антенну «полотенцедержатель» и антенну с резонансным излучателем с прямым приводом (DDRR) [3–5]. Антенна с резонансным излучателем с прямым приводом представляет собой тип антенны линии передачи, характеризующийся ее компактными размерами по сравнению с ее излучением. длина волны. Антенны DDRR часто изготавливаются по спиралевидной схеме, поскольку взаимодействие между проводниками минимально, если расстояние менее чем в 2,5 раза превышает расстояние линии передачи (элементной базы) до плоскости заземления. Расстояние между плоскостью заземления и элементом монополя TASH в целом аналогично расстоянию в антеннах спиральных линий передачи (от 0,002 до 0,01 длины волны). Режим линии передачи монопольной антенны TASH создает вертикально поляризованное излучение на частотах выше первого резонанса базовой спирали TASH. Это иллюстрируется диаграммой на рисунке 6, которая показывает относительный вклад излучения каждой моды.
Рис. 6. Относительный вклад излучаемой мощности для
каждого режима TASH в зависимости от частоты.Другой способ анализа антенны TASH — рассматривать базовую спираль как линию передачи с непрерывным ответвлением, питающую смежные вертикальные элементы различной длины. Линия передачи оптимизирована для подачи питания на каждый элемент в нужной фазе для минимального КСВ в интересующей полосе пропускания.
Диаграммы направленности монополей TASH от 225 до 2000 МГц были исследованы как методами моделирования, так и измерениями. На рисунках 7 и 8 показаны трехмерные диаграммы направленности монополя TASH из программного обеспечения для моделирования GNEC-4 и WIPL-D соответственно. Проверка серии диаграмм направленности от WIPL-D и GNEC-4 в дополнение к измеренным диаграммам направленности показывает, что излучение антенны TASH аналогично излучению линейной широкополосной антенны, такой как дисконус, на частотах в пределах октавы самой низкой частоты. На более высоких частотах было подтверждено, что монополь TASH производит как аксиальное, так и линейное излучение с неравномерностью диаграммы направленности на самых высоких частотах (от 1000 до 2000 МГц). На более высоких частотах неравномерности диаграммы направленности значительны (> 3 дБ), но не так велики, как нули угла наклона, наблюдаемые в обычных монопольных и дискообразных диаграммах направленности.
Рис. 7. Трехмерная диаграмма направленности монополя TASH на частоте 850 МГц (GNEC-4).
Рис. 8. Трехмерная диаграмма направленности монополя TASH на частоте 850 МГц (WIPL-D)На рисунке 9 показаны трехмерные диаграммы направленности WIPL-D TASH на частотах от 200 до 1800 МГц.
Рис. 9. Смоделированные (WIPL-D) диаграммы направленности
монополя TASH на частотах (a) 200, (b) 1000 и (c) 1800 МГц.Диаграмма направленности готового прототипа монополя TASH от 225 до 2000 МГц была измерена в безэховой камере во всем диапазоне частот. Калиброванный поворотный стол (плоскость земли 0,33 ? 0,36 м) вращал антенну в точке на расстоянии 4,9 метра от приемной антенны. Приемная антенна представляла собой широкополосную дискоконусную антенну, охватывающую тот же диапазон частот, что и тестируемая антенна TASH. Дискон чувствителен только к линейной поляризации. Таким образом, диаграммы направленности, измеренные на частотах более октавы выше 225 МГц, не включали вкладов другого излучения, кроме линейного.
На рисунке 10 показан прототип антенны TASH от 225 до 2000 МГц на проигрывателе. Рисунок 11 представляет собой измеренный пример диаграммы направленности по азимуту относительно дисконы.
Рис. 10. Монополь ТАШ, установленный в безэховой камере
для измерения азимутальной диаграммы направленности.
Рис. 11. Диаграмма азимута монополя TASH, измеренная
при угле места 0 на различных частотах.Несмотря на то, что измерения проводились в ближнем поле на низких частотах (от 200 до 400 МГц), диаграмма направленности была по существу всенаправленной, а характеристики безэховой камеры были плохими. По мере увеличения частоты в картине появлялись неровности, что хорошо согласовывалось с данными моделирования.
Конструкция прототипа
Прототип антенны TASH развивался по мере того, как анализ моделирования и измерения на медной плате сводились к конструкции, обеспечивающей низкий КСВ в диапазоне от 225 до 2000 МГц. Окончательная монопольная антенна TASH от 225 до 2000 МГц, полученная в результате проектных усилий, была построена с соотношением высоты к диаметру примерно 2. Элемент состоял из треугольного листа медной сетки высотой 259 мм (0,2λ) и основания. 42 см (0,32λ) в рулоне, как показано на рисунке 12.
Элемент был установлен на опорной пластине с точкой питания на самом внутреннем крае базовой спирали и замкнут на землю (опорную пластину) примерно на расстоянии 10 см (0,08λ) от кончика основания. Расстояние до плоскости земли составляло 5 мм (0,004λ).
Рис. 12. Монопольная конфигурация TASH от 225 до 2000 МГц.На рис. 13 показан готовый прототип антенного элемента со снятым обтекателем.
На рис. 14 показан готовый прототип антенны с диапазоном частот от 225 до 2000 МГц, установленный на большой наружной заземляющей пластине. После установки перед измерением антенна не регулировалась. Результаты измерений КСВ и импеданса показаны на рисунках 15 и 16 соответственно.
Рис. 13.
Рис. 14. Полный прототип TASH от 225 до 2000 МГц на открытом заземлении.
Рис. 15. Измеренный КСВ прототипа TASH от 225 до 2000 МГц на открытом заземлении.
Рис. 16. Измеренное сопротивление прототипа TASH от 225 до 2000 МГц на открытом заземлении.Проблемы конструкции
Хотя антенна TASH по своей сути проста, асимметрия элемента TASH делает конструкцию немного более сложной, чем в случае симметричных антенн, таких как дискоконусы. Однако после того, как механическая конструкция разработана, изготовить монополи TASH не сложнее, чем другие типы антенн. Электрическая конструкция обычного монополя TASH обычно соответствует методу, показанному в этой статье и описанному в Таблице 1.
Основными переменными антенны TASH являются высота элемента, длина основания, внешний диаметр, расстояние между основанием и землей, диаграмма направленности основания и точка питания. Путем моделирования и измерений было установлено, что общая длина элемента TASH обеспечивает наименьший КСВ 50 Вт в полосе пропускания 10:1. Обычно самая низкая частота с КСВ, равным 3, определяется общей высотой элемента TASH Y плюс расстоянием между элементом и землей S. Сумма Y+S будет равна примерно 0,2λ. В некоторой степени самая низкая частота также является функцией диаметра D элемента TASH. Для соотношений высоты к диаметру от 2:1 до 1:2 самая низкая частота будет уменьшаться по мере уменьшения отношения высоты к диаметру.
Базовая длина элемента TASH практически любого значения X вызывает множественные резонансы линии передачи по мере увеличения частоты. При большей длине базы будет создаваться больше резонансов при заданной полосе пропускания. Хотя большое количество резонансов улучшает подавление реактивного сопротивления, дополнительную сложность дополнительной длины может быть сложно контролировать и воспроизводить. Наилучшая длина элементной базы с точки зрения воспроизводимости — это минимальная длина, которая обеспечивает приемлемый КСВ в расчетной полосе пропускания. Типичная длина в 1,5–2,5 раза превышает высоту элемента. Для финального прототипа с укороченной базой длина базы X составляла 0,32λ. Для монополей TASH, как правило, внешний диаметр ограничивается длиной базы элемента X в прокатанном виде, чтобы сформировать минимально возможный диаметр для желаемой полосы пропускания.
Расстояние между базой и землей S влияет на характеристическое сопротивление режима линии передачи. Номинальное расстояние должно составлять 0,4 ± 0,2% от самой длинной интересующей длины волны λ. Хотя КСВ является функцией расстояния между витками элемента TASH, влияние на КСВ в этом диапазоне минимально. Меньшее расстояние уменьшает КСВН на высоких частотах и ??увеличивает КСВН на низких частотах, и наоборот.
Первичная точка подачи может находиться в любой точке основания элемента. Нижняя часть самого внутреннего края обычно обеспечивает хорошую точку подачи для элементов TASH, высота которых номинально составляет четверть длины волны на самой низкой интересующей частоте. Для элементов TASH меньшей высоты точка питания, составляющая примерно 10% базовой длины на каждые 10% уменьшения высоты элемента, обеспечит наилучшее соответствие 50 Вт. Однако общий КСВ становится хуже по мере дальнейшего уменьшения высоты элемента.
Механически элемент TASH может представлять собой либо сплошную плоскую поверхность, либо решетчатую структуру. Поверхность сетки должна иметь сетки размером менее 0,1λ на самой высокой интересующей частоте. Решетчатые поверхности обладают рядом других преимуществ. Они, как правило, легче и их легче придавать форму, чем твердые плоские поверхности. В инкапсулированном виде сетка позволяет герметизирующему материалу свободно течь внутри и вокруг элемента. Они также хорошо коррелируют с моделями сеточного моделирования.
Элемент TASH имеет значительное механическое преимущество перед большинством линейных широкополосных антенн (конусных, дисковых и колпачковых). Большая часть массы элемента TASH расположена в основании. Это позволяет легко изготовить ребристую антенну, прикрепив элемент TASH к основанию с помощью диэлектрических прокладок. Спиральная структура гораздо более стабильна, чем у сопоставимых широкополосных всенаправленных антенн.
Диаметр точки питания обычно не имеет решающего значения, если только между элементом TASH и плоскостью заземления не установлено короткое замыкание, и в этом случае соотношение диаметра точки питания к короткому диаметру становится фактором при определении характеристического импеданса в пределах первой октавы.
Замыкание на землю вдоль основания дает некоторые преимущества. Короткое замыкание обеспечивает прямое механическое соединение с базовой плоскостью заземления, что обеспечивает еще одну жесткую опору для спирального элемента TASH. Это также снижает вероятность повреждения оборудования, подключенного к элементу TASH, в случае непреднамеренного подачи или наведения высокого напряжения на элемент TASH. В таблице 2 приведены физические характеристики широкополосных монополей TASH, оптимизированных на данный момент.
Хотя усилия по оптимизации были сосредоточены на диапазоне от 225 до 2000 МГц, было установлено, что структура TASH имеет потенциал для гораздо более широкой полосы пропускания.
На рисунке 17, например, показан смоделированный КСВН монопольной конфигурации TASH в диапазоне от 100 до 8100 МГц.
Рис. 17. GNEC-4 моделирует широкополосный КСВН антенны TASH.Заключение
Монополь TASH представляет собой новый класс составных антенн, сочетающих в одной конструкции моды излучения нескольких основных антенных элементов. Путем измерений и моделирования был сделан вывод, что диаграмма направленности монополя TASH преимущественно линейна на частотах в пределах первой октавы выше c/λ с некоторой круговой поляризацией даже на частотах выше c/λ. Однако большой процент излучения остается линейным и всенаправленным на частотах значительно выше c/λ. На диаграмму направленности меньше влияют размер и неровности поверхности земли, чем у сопоставимых широкополосных антенн, таких как дискотека.
Благодарности
Автор желает поблагодарить CERDEC армии США за поддержку этой работы. Особая благодарность выражается Стиву Гудоллу и Йораму Леви из CERDEC за их техническую поддержку и постоянный интерес к разработке этой антенны.
Источники
- T.J. Warnagiris, “A Monopole with a Twist,” Microwave Journal, Vol. 44, No. 9, September 2001, pp. 120–137.
- T.J. Warnagiris, “Wide Bandwidth Multi-mode Antenna,” Patent No. 6,339,409, January 15,2002.
- R.W. Burton and R.W. King, “Theoretical Considerations and Experimental Results for the Hula-hoop Antenna,” Microwave Journal, Vol. 6, No. 11, November 1963, pp. 89–90.
- R.D. Wanselow and D.W. Milligan, “A Compact, Low Profile, Transmission Line Antenna-tunable Over Greater than Octave Bandwidth,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 14, No. 6, November 1966, pp. 701–707.
- R.C. Fenwick, “A New Class of Electrically Small Antennas,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 13, No. 3, May 1965, pp. 379–383.
Том Варнагирис получил степень бакалавра технических наук в Университете штата Пенсильвания и работал в аспирантуре в Университете Южной Флориды. В настоящее время он работает штатным инженером в отделе использования сигналов и геолокации Юго-Западного научно-исследовательского института. Ранее он работал инженером в ARINC Research, отделе ECI компаний NCR, C-COR Electronics и HRB Singer. Он владеет несколькими патентами, связанными с коммуникациями, и является зарегистрированным инженером в Пенсильвании и Флориде.
[ На главную ] [ Антенны ]
