Новые антенные топологии для SDR
Mike Pilcher (Manager, RF and Reconfigurable Systems Section);
Travis Thompson (Research Engineer, RF and Reconfigurable Systems Section)
Southwest Research Institute® разработал и продемонстрировал две новые топологии антенн с превосходными характеристиками для приложений SDR. Цилиндрический меандр с коротким замыканием представляет собой электрически небольшую, узкополосную, но электрически настраиваемую антенну, а малая спираль с конической апертурой (TASH) представляет собой механически прочную антенну с десятичной полосой пропускания и малой чувствительностью к несовершенству заземления. Эти запатентованные топологии применимы к стандартной мобильной радиосвязи, но могут быть особенно полезны для SDR с возможностью выбора диапазона.
В этом документе представлены изображения топологий антенн, результаты моделирования и лабораторные измерения. Также обсуждаются относительные характеристики новейшего моделирования числового электромагнитного кода (NEC-4). Смоделированное поведение антенны TASH было очень близко к реальным лабораторным измерениям, но смоделированное поведение цилиндрического меандра сильно отличалось. Одна из проблем моделирования электрически небольших антенн (например, цилиндрического меандра) заключается в том, что они часто имеют тесно связанные проводники, которые действуют иначе, чем предсказывает NEC.1. ВВЕДЕНИЕ
Коммерческие компании быстро разрабатывают электронные аппаратные компоненты для использования в будущих системах SDR. Сюда входят усовершенствования ВЧ-интерфейсов (улучшенные усилители с меньшим шумом, более гибкие фильтры, дополнительная программируемость), а также аналого-цифровые и аналоговые преобразования, цифро-аналоговые преобразователи (более широкая полоса пропускания, более высокий динамический диапазон, более высокая частота дискретизации). Также была проделана значительная работа по проектированию архитектуры программного обеспечения. Хотя компоненты аппаратного и программного обеспечения претерпели миграцию ролей в SDR или других реконфигурируемых радиосистемах, всем системам радиопередачи всегда потребуется определенная антенна. Исследование, описанное в этой статье, описывает две топологии антенн, направленные на потребность в инновационных антеннах для систем SDR.
2. МАЛАЯ спираль с конической апертурой (ТАШ).
Топология антенны TASH отлично подходит для широкополосных систем, используемых в неконтролируемых средах. Следующие три подраздела описывают смоделированные характеристики, измеренные характеристики и живучесть после баллистических событий. Антенна TASH защищена патентом США № 6339409, поданным 24 января 2001 г. На рисунке 1 показана антенна TASH. прототип антенны TASH (без защитной капсулы) для диапазона от 225 до 2000 МГц.
2.1 Результаты моделирования
Рисунок 1 – Прототип антенны TASH.На рисунках 2, 3 и 4 показаны смоделированные КСВ, диаграмма направленности антенны нижних частот и диаграмма направленности антенны верхних частот соответственно. График КСВН показывает хорошее соответствие широкополосного сигнала для всех частот выше 225 МГц, а относительно всенаправленная диаграмма направленности желательна для мобильной радиосвязи.
Рисунок 2 – Имитация КСВ антенны TASH.
Рисунок 3 – Смоделированная диаграмма направленности на частоте 225 МГц.2.2 Лабораторные результаты
Рисунок 4 – Смоделированная диаграмма направленности на частоте 2 ГГц.На рисунке 5 показан измеренный КСВН с помощью анализатора цепей. Обратите внимание, что КСВ составляет менее 2,5 для всего диапазона от 225 до 2500 МГц и менее 2,0 для подавляющего большинства.
На рисунке 6 показана диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости при угле места 0° – примерно всенаправленный.
Рисунок 5 – Измеренный КСВ.2.3 Инкапсуляция и живучесть
Рисунок 6 – Измеренная диаграмма относительно дискоконуса.Инкапсуляция (помещение в защитную капсулу) для обеспечения живучести без снижения производительности потребовала нескольких попыток. На рисунке 7 показано ухудшение качества во время ранней попытки инкапсуляции, а на рисунке 8 показана успешная попытка.
Рисунок 7 – КСВН до и после ранней инкапсуляции.Первая инкапсулированная антенна также подверглась обстрелу из стрелкового оружия. На рисунках 9 и 10 показаны характеристики инкапсулированной антенны и КСВН соответственно. Каждый показан до и после попадания снаряда калибра 5,56 мм. Обратите внимание, что разница в электрических характеристиках очень мала.
Рисунок 8 – КСВН до и после поздней инкапсуляции.
Рисунок 9 – Антенна до и после круглой формы диаметром 5,56 мм.3. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ МЕАНДР
Рисунок 10 – КСВН до и после круглого сечения 5,56 мм.Топология антенны «Цилиндрический меандр» отлично подходит для электрически небольших узкополосных конструкций. Следующие три подраздела описывают смоделированные и измеренные характеристики базовой топологии и двух вариантов полосовой избирательности.
3.1 Базовая топология
Базовая цилиндрическая меандровая антенна защищена патентом США № 5754143, поданным 29 октября 1996 года. На рисунке 11 показан прототип цилиндрической меандровой антенны диаметром 7,5 см, а на рисунке 12 показан график КСВ. Обратите внимание, что резонанс возникает на частоте 90 МГц, что соответствует диполю примерно 80 см. Хотя КСВ при этом резонансе довольно высок, в вариантах, описанных в следующих разделах, он будет уменьшен.
Рисунок 11 – Базовый прототип цилиндрического меандра3.2 Укороченный вариант
Рисунок 12 – КСВН для базового цилиндрического меандра.Одним из методов изменения резонанса цилиндрического меандра является наполовину закорачивание одной или нескольких петель меандра. Чтобы закоротить некоторое подмножество рамочных диодов, чтобы можно было использовать постоянное напряжение, подаваемое в антенну, для настройки антенны. На рисунке 13 показан прототип укороченного цилиндрического меандра, а на рисунке 14 показано изменение резонансной частоты и КСВН в зависимости от управляющего напряжения.
Рисунок 13 – Прототип цилиндрического меандра с укороченным заглушкой.
Рисунок 14 – Резонансные частоты для укороченного меандра.К сожалению, существенного отклонения частоты не наблюдалось. Однако мы полагаем, что это проблема нашей системы управления, которая резистивно нагружала меандр и расширяла резонансную полосу. Более широкая полоса пропускания вызвала две проблемы. Первая проблема заключалась в том, что это, вероятно, препятствовало точным измерениям эффективной узкополосной резонансной частоты. Вторая проблема заключается в том, что реальное сопротивление приводит к реальной потере мощности сигнала. Например, если реальное сопротивление примерно равно сопротивлению излучения, то антенна испытает дополнительные потери на 3 дБ помимо других потерь системы. Для решения этой проблемы потребуются дополнительные исследования.
Рисунок 15 – Измерения минимального КСВ.3.3 Вариант со спиральной нагрузкой
Более успешный метод изменения резонанса цилиндрического меандра — закорачивание одной или нескольких катушек, добавленных к каждой из петель меандра. Нагрузка катушки еще больше сужает полосу пропускания и уменьшает резонансную частоту лишь при небольшом увеличении громкости.
Учитывая проблемы, возникающие при использовании диодов для управления резонансом укороченного меандра, исследовательская группа просто использовала закорачивающие разъемы для ручной настройки антенны. На рисунке 16 показан прототип цилиндрического меандра с нагруженной катушкой, а на рисунке 17 показаны типичные измерения КСВ. Обратите внимание, что резонансов несколько, и что нижний резонанс очень узкополосный.
Рисунок 16 – Прототип цилиндрического меандра с нагруженной катушкой.На рисунках 18 и 19 показаны резонансные частоты и соответствующие КСВ для каждого количества закороченных катушек.
Рисунок 17 – Измерения КСВН для меандра с катушкой.
Рисунок 18 – Резонансные частоты для меандра с катушкой.4. ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рисунок 19 – Минимальные КСВ для меандра с катушкой.Хотя антенна TASH имеет достаточно реальных данных, подтверждающих математическое моделирование, чтобы быть хорошим кандидатом для текущих конструкций антенн, существуют некоторые дальнейшие исследования, которые можно рассмотреть. Например, TASH, по-видимому, излучает одновременно в так называемых «модах» большой и малой спирали [1]. Это показано на рисунке 20. К преимуществам относятся, по крайней мере, пропускная способность и устойчивость к неидеальному заземлению. Однако их может быть больше.
Перестраиваемый цилиндрический меандр с коротким замыканием требует некоторых дополнительных исследований, прежде чем его можно будет полностью изготовить. Одной из проблем предсказуемости является отсутствие подтверждения между моделированием и лабораторными измерениями. Хотя основной цилиндрический меандр имеет рабочую частоту, которая будет масштабироваться в зависимости от физического размера предсказуемым образом с некоторым линейным коэффициентом от моделируемой резонансной частоты, реальный лабораторный КСВ гораздо более приемлем, чем прогнозируемый. Настроечные заглушки не влияют на резонансную частоту так существенно, как хотелось бы (см. рисунок 14). На рисунке 21 показана модель настройки резонансной частоты укороченного цилиндрического меандра.
Рисунок 20 – Режимы спирального излучения.Цилиндрический меандр с укороченной катушкой демонстрирует многообещающую устойчивость к разрыву и уровни КСВ, которые можно легко довести до полезных диапазонов с помощью узкополосного согласования.
Рисунок 21 – Моделирование резонансных частот.5. ССЫЛКИ
[1] Kraus, John. Antennas. McGraw_Hill. 1988. pp 288-295.
[2] Еще раз о монополе с изюминкой. (расчет и практическая конструкция)
Материал подготовил - RA3TOX
Июль 2024
[ На главную ] [ Антенны ]
