Содержание Введение ....................................................................................................................... 2 1. Механизм круговой поляризации .......................................................................... 4 1.1. Случай направленного излучения ................................................................. 4 1.2. Примеры направленных антенн круговой поляризации ............................. 7 1.3. Случай ненаправленного излучения ............................................................ 9 2. Антенна «клевер» .................................................................................................. 13 2.1. Общие сведения............................................................................................. 13 2.2. Классическая антенна «клевер» ................................................................... 16 2.3. Квазишунтовой «клевер» ............................................................................. 18 3. «Клеверная» антенна с ёмкостными квазишунтами.......................................... 24 4. Квазишунтовой «клевер» с резонатором ............................................................ 29 5. Коаксиальный «клевер» ........................................................................................ 33 6. «Клевер» с активным противовесом ................................................................... 40 7. Увеличение коэффициента усиления .................................................................. 48 7.1. Общие сведения............................................................................................. 48 7.2. Антенна «клевер» с рамочными переизлучателями .................................. 49 7.3. Антенные решётки с поперечными вибраторами ...................................... 57 7.4. Коллинеарная «клеверная» антенна круговой поляризации .................... 60 7.5. Этажерочная антенна круговой поляризации ............................................ 65 7.6. Версии ажурных конструкций ..................................................................... 76 8. Трансформатор поляризаций ............................................................................... 79 Заключение................................................................................................................. 87 Список использованной литературы ....................................................................... 89 Введение Ускоренное развитие, особенно в последние годы, технологий и средств связанных с беспилотными летательными аппаратами, выявило недостаточную обеспеченность бортовых устройств изотропными антеннами круговой поляризации для телеуправления и передачи данных. Появившиеся, в ходе применения средств связи с космическими объектами, слабонаправленные квадрифилярные антенны со сложными конструкциями и схемами питания, а также низкой эффективностью при работе в горизонтальной плоскости, не обеспечивают требуемых параметров для использования в качестве надёжных изотропных бортовых антенн круговой поляризации для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Однако, никак не преследуя целей по созданию антенны для БПЛА, путём несложной доработки известной антенны Big Wheel, её разработчикам удалось создать простую по устройству и питанию антенну круговой поляризации. Изначально названная The Skew-Planar Wheel, отмечая наследование от Big Wheel, сейчас эта антенна из-за похожести на листья распространённого в природе благородного полевого растения называется антенна «клевер». Несмотря на двукратное снижение коэффициента усиления относительно классического диполя, при использовании в паре с антеннами линейной поляризации, клеверные антенны стали наиболее востребованными при оборудовании беспилотных летательных аппаратов. Дополнительно к этому, учитывая всё усложняющуюся электромагнитную обстановку и повышенную помехоустойчивость эфирных приёмопередающих каналов с антеннами круговой поляризации, не исключается возможность более широкого использования рассматриваемых антенн в беспроводных радиосетях общего пользования, во внутриофисных и внутриквартирных системах, перенасыщенных гаджетами. Особенно это актуально сейчас, когда в перспективе пла- 2 нируется массовое внедрение множества автоматизированных автономных компактных устройств, к примеру, в рамках развития сотовых сетей пятого поколения и интернета вещей. На кафедре радиоэлектронных систем и транспортного радиооборудования Морского института «Мурманского государственного технического университета», приобретя комплект таких антенн и проанализировав работу, модернизировали антенну «клевер», улучшив механические и электрические характеристики, а также расширив возможности подключения питания и подстройки, разработали ряд инновационных технических решений с регистрацией интеллектуальной собственности при защите патентами РФ на полезные модели и изобретения. В данной книге, на базе теоретических предпосылок, с применением компьютерного моделирования, приведены поисковые исследования и разработки инновационных прикладных технических решений антенн круговой поляризации с улучшенными электрическими характеристиками, обеспечивающими выход по параметрам на уровень классических антенн с линейной поляризацией, расширенными возможностями по согласованию антенны с фидерной линией и устройство трансформирования линейной поляризации в круговую с пассивными переизлучателями. То есть, предлагаются к рассмотрению инновационные изотропные антенные устройства круговой поляризации с модифицированной конструкции при упрощённых прикладных реализациях, в целях использования в жёстких условиях эксплуатации, как конкуренты применяемому парку клеверных антенн и новое направление научных исследований по созданию высокоэффективных антенных устройств, в том числе и двойного назначения. 3 1. Механизм круговой поляризации 1.1. Случай направленного излучения Поляризация электромагнитных волн, проявляющаяся при распространении радиоволн в средах, является одним из характерных параметров, при повышении рабочих частот электромагнитного спектра значимо влияющим на функционирование радиоэлектронных беспроводных средств. В диапазонах частот свыше 30 МГц поляризационное соответствие передающих и приёмных антенн является необходимым условием функционирования радиосистем, так как их рассогласование увеличивает влияние помех, снижает энергетику сигналов при приёме или требует повышения мощностей при передаче и, зачастую, приводит к полной потере радиоконтактов. Исторически, с преимущественным использованием беспроводных технологий для радиосвязи и телевидения, используется линейная горизонтальная или вертикальная поляризация радиоволн. Это отражается при работе радиоэлектронных средств, размещением приёмоизлучающих структур антенных устройств с ориентацией в одних и тех же плоскостях при передаче и приёме радиосигналов. Рисунок 1 – Графическая интерпретация наклонной линейной поляризации. 4 В свою очередь существует и пространственная эллиптическая поляризация, обладающая, как превалирующими достоинствами, так и некоторыми недостатками, обычно квалифицируемая по её частному виду круговой поляризацией. Из-за особенностей устройства и питания антенн, работающих с круговой поляризацией, а также снижения энергетики радиоканалов, использующих антенны круговой поляризации в системах с антеннами линейной поляризации, пока широкого распространения они не получили. Однако антенны круговой поляризации обеспечивают надёжность функционирования радиосистем при непредвиденных изменениях положений антенных устройств как при излучении, так и при приёме электромагнитных волн. Именно это свойство оказалось незаменимым при обеспечении гарантированной электромагнитной доступности с первыми искусственными спутниками Земли, ещё не имевшими стабилизации положения на орбитах, и продолжают использоваться в новых космических технологиях, как защита от всевозможных непредсказуемых сбоев. В таких системах, преимущественно, применяются встречно расположенные узконаправленные антенные устройства круговой поляризации. Механизм появления круговой (циркулярной) поляризации электромагнитных волн в общем случае подробно описан в учебниках по электродинамике и распространению радиоволн. В литературе [1, 2] общий случай нелинейной поляризации описывается через два ортогональных вибратора, со средними точками на линии, перпендикулярной плоскости их размещения и излучающих линейно-поляризованные электромагнитные волны, имеющие разные фазы. Графически это отражено на рисунке 2. При этом вектор поляризации результирующего поля начинает вращаться по круговой траектории с частотой колебаний. Круговая поляризация является частным случаем, когда разность фаз и угол между векторами напряжённости равняется 90°, а модули значений векторов напряженности равны. Мгновенное значение модуля вектора напряжённости в точке можно определить следующим выражением, записанном в символической форме: 5 E ( z , t ) (e x E x e y E y )e jkz jt (1) где E(z,t) – мгновенное значение напряженности в точке, z – значение координаты оси распространения электромагнитной волны; t – значение времени; ex, ey – единичные векторы осей x и y соответственно; Ex, Ey - значения вектора напряжённости горизонтальной и вертикальной составляющих соответственно; k – волновое число; ω – циклическая частота. Рисунок 2 – Графическая интерпретация правовинтовой круговой поляризации. Если взять действительную часть и разложить вектор вращения на горизонтальную и вертикальную составляющие, то получим следующие соотношения: E x ( z, t ) E0 cos(kz t ), (2) E y ( z, t ) E0 sin(kz t ), (3) При этом величина вектора: E0 Ex2 E y2 6 (4) В зависимости от знака в выражении (3) вектор поляризации может иметь левовинтовое вращение или правовинтовое вращение. Вращение вектора поляризации придаёт важное для практического применения свойство антеннам круговой поляризации – эти антенны могут эффективно работать с антеннами линейной поляризации независимо от кого как они ориентированы в пространстве. Вектор поляризации в любом случае совпадёт с рабочей плоскостью антенны линейной поляризации за один период колебания. В случае работы двух антенн круговой поляризации необходимо согласовать направления вращения векторов двух антенн. Если поляризация одной антенны является левовинтовой, то и другая антенна также должна иметь левовинтовое вращение вектора поляризации. В ином случае вращения векторов будут противоположны друг другу и канал связи с такими антеннами будет неработоспособен. 1.2. Примеры направленных антенн круговой поляризации Практическим конструктивом излучателя круговой поляризации является исторически отправная крестообразная антенна, состоящая из двух полуволновых дипольных антенн, размещённых в плоскости под углом 90° друг к другу [3]. Требуемая разность фаз питания обеспечивается четвертьволновым отрезком коаксиального кабеля, который концами соединяется с полюсами обоих диполей. Ниже, на рисунке 2 приведен эскиз антенны, а на рисунке 3,а компьютерная модель с результатами моделирования на рисунке 3,б, полученными в программе MMANA-GAL 3. Программа MMANA-GAL 3.0 является прикладной программой для расчёта параметров проволочных антенн методом моментов и основана на MININEC Ver. 3, созданной для целей ВМС США [4]. 7 Рисунок 3 – Эскиз крестообразной антенны. а) б) Рисунок 4 – Модель крестообразной антенны: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. Исходя из анализа характеристик диаграммы направленности, близкой к изотропной, электромагнитные волны, создаваемые излучателем, имеют круговую поляризацию только на оси перпендикулярной к плоскости размещения диполей. Симметрично, в направлениях отклонения от вертикальной оси поляризация становится эллиптической с уменьшением эксцентриситета траектории поляризации относительно горизонтальных осей с полным переходом в линейную горизонтальную поляризацию в горизонтальной плоскости. Использование такой технологии в целях обеспечения изотропной 8 направленности с круговой поляризацией в горизонтальной плоскости в отправном варианте не представляется возможным, а при применении для осевого излучения она обладает низким коэффициентом усиления. 1.3. Случай ненаправленного излучения В данном разделе описывается механизм возникновения электромагнитных волн с круговой поляризацией ненаправленными антеннами с изотропным в горизонтальной плоскости излучением. К таким антеннам в том числе относятся полуволновой диполь, антенна Big Wheel и клеверная антенна круговой поляризации. Существует два способа интерпретации круговой поляризации в случае ненаправленного излучения: посредством вертикального излучателя с горизонтальной рамкой и четырёх ортогонально расположенных наклонных излучателей. Опишем оба способа. Первый способ поясняется на примере ортогонально расположенных симметричного вибратора и окружающей его рамки в виде кольца [5]. По симметричному вибратору протекают сонаправленные токи, которые образуют вокруг него электромагнитное поле с вертикально расположенными силовыми линиями электрической составляющей. Аналогично токи протекают в рамке внося горизонтальную составляющую в результирующее электромагнитного поля. Токи в кольце и в вибраторе синфазны, а вместе с тем, что рамка имеет радиус равный λ/4, обеспечивается фазовый сдвиг в 90° между вертикальной и горизонтальной составляющими поля в дальней зоне. Тем самым обеспечивается необходимое для излучения волн эллиптической поляризации условие разности фаз, а равенство токов протекаемых в рамке и диполе обеспечивает равенство вертикальной и горизонтальной составляющих, что гарантирует режим работы круговой поляризации. На рисунке 5 [5, с. 261] представлен эпюр с вертикальным диполем и кольцевой рамкой. 9 Рисунок 5 – Направления токов в горизонтальной рамке и вертикальном диполе, с излучаенем правовинтовой круговой поляризации Для достоверности теоретических выкладок в программе MMANA-GAL проведено моделирование диполя окружённого рамкой, вид модели и результаты отражены на рисунке 6. В рамке присутствуют источники в элементарных линейных проводниках, что задаёт необходимых ток в рамке. Радиус рамки равен λ/4. а) б) Рисунок 6 – Моделирование симметричного вибратора, окружённого рамкой: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры 10 Из проведённого моделирования видно, что в горизонтальной плоскости вертикальная и горизонтальная составляющие равны, что свидетельствует о круговой поляризации в данной плоскости. При других углах места, возрастает уровень эллиптичности, но не превышает -3 дБ при 70°. А при угле места 90° излучение отсутсвует, что свойственно диаграмме направленности как рамки так и диполя. Коэффициент симметричного усиления вибратора на и 12% меньше, обусловлен чем у классического результирующей диаграммой направленности рамки и диполя. Вторым способом интерпретации механизма возникновения круговой поляризации во всех направлениях в горизонтальной плоскости является попарное размещение дипольных элементов в ортогональных плоскостях на равноудалении от центра пересечения этих плоскостей равном λ/4 [6]. При этом середины диполей находятся в одной горизонтальной плоскости (рисунок 7). а) б) Рисунок 7 – Фазированная антенная решётка круговой поляризации: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Формирование поля с круговой поляризацией обеспечивается результирующим излучением всех четырёх элементов, которые образуют с горизонтальной плоскостью угол равный 45°. Образованная таким образом 11 фазированная решётка обеспечивает излучение волн с эллиптической поляризацией, характристика которой имеет малый коэффициент эллиптичности в горизонтальной плоскости. Параметры моделирования приведены на рисунке 6 ,б). Элементы фазированной решётки наклонённые на 45° вносят горизонтальную и вертикальную составляющую поляризации в равной степени (рисунок 8 [5, c. 262]). Рассматривая только протвоположные диполи, их результирующее излучение имеет только горизонтальную составляющую. Расстояние между их центрами равно λ/2, следовательно сонаправленные в каждый момент времени вертиакальные составляющие будут компенсированы, а протвоположно направленные горизонтальные наложатся друг на друга в фазе. Если ввести ещё одну пару излучателей ортгонально предудыущим, то их вертикальные составляющие увеличат угол результирующего вектора относительно горизонтальной оси. В связи с тем, что вертикальная составляющая имеет фазовый сдвиг, относительно горизонтальной, то результирующий вектор поляризации будет иметь вращение, что свидетельствует об эллиптической или в частном случае круговой поляризации. Рисунок 8 – Преобладающие компоненты тока в наклонной дипольной антенне 12 2. Антенна «клевер» 2.1. Общие сведения Для эффективной работы в составе бортового радиооборудования антенны должны обладать качествами всенаправленности в горизонтальной плоскости и излучать электромагнитные волны с круговой поляризацией. В середине XX в. уже существовали антенны, обладающие хотя бы одним из признаков пригодных для применения на беспилотных летательных аппаратах. Однако направленные антенны круговой поляризации или ненаправленные линейной поляризации, накладывали ограничения на применение их на быстродвижущихся и сверхманёвренных летательных аппаратах. Применение подобного класса излучателей приводило бы к постоянной потере связи при резких манёврах из-за несовпадения либо направлений в пространстве, либо в плоскости поляризации. Но в то время малые летательные аппараты не были изобретены и направленных антенн круговой поляризации и всенаправленных линейной поляризации хватало для полного удовлетворения спроса в те годы. Но несмотря на это путём экспериментов и дополнительной модернизации существующих решений уже существовали разработки, которые только сейчас приобрели всеобщую популярность. Одним из таких решений является антенна «клевер», которая является доработкой антенны с круговым излучением горизонтальной поляризации и изначально известная под другим именем. Эта антенна была непопулярна в свое время, т.к. тогда не было таких применений ненаправленным антеннам круговой поляризации, которые бы выгодно их выделяло на фоне направленных антенн круговой поляризации и ненаправленных линейной поляризации. В 1961 году была опубликована статья в радиолюбительском журнале ARRL QST с описанием антенны «Большое колесо» (The Big Wheel), изначально позиционирующейся как автомобильная, рассчитанная на диапазон радиоволн длиной 2 метра (144 МГц) [7, 8]. Авторами антенны являются радиолюбители Роберт Меллен (Robert H. Mellen) и Карл Милнер (Carl T. Milner). Изображение 13 этой антенны показано на рисунке 9 [8]. Конструктивно она выполнена в виде трёх рамок с длиной соизмеримой с длиной волны, близких по форме к треугольникам. Источник сигнала подключается в центре антенны с параллельным соединением трёх рамок. Секторное размещение рамок в горизонтальной плоскости обеспечивают круговое излучение с горизонтальной поляризацией. Рисунок 9 – Антенна «Большое колесо» Спустя два года этими же авторами публикуется статья, в которой описывается модернизация антенны «Большое колесо» [9]. Авторское название опубликованной антенны The Skew-Planar Wheel (колесо с наклонными секторами), которое роднит новое изобретение с прототипом. Изображение антенны из журнала приведено на рисунке 10 [9, c. 12]. При этом в статье присутствует прямое сравнение антенн «Большое колесо» и The Skew-Planar Wheel. «Оригинальное «Большое колесо» является круговой компланарной антенной, содержащей три сфазированных соизмеримых с длиной волны участка с подключением питания на концах…Диаграмма направленности круговая в горизонтальной плоскости и поляризация - горизонтальная». «Колесо в наклонных плоскостях» имеет четыре подобно сконструированных элемента, но плоскость каждого элемента имеет угол 45 градусов по отношению к горизонтальной плоскости. В результате диаграмма направленности 14 снова изотропна, но поляризация в этом случае круговая, вместо горизонтальной» [9, c. 12]. Из цитаты ясно, что имеют место две кардинальные доработки антенны: размещение петель в наклонных плоскостях и добавление ещё одной четвертой петли. Однако на сегодняшний момент имеются антенны «клевер» и с тремя лепестками, что определяет добавление четвертой петли в условные изменения. Антенна The Skew-Planar Wheel спустя 50 лет не привнесла никаких существенных изменений в своей конструкции и применении, однако сейчас известна под именем «клевер», т.к. напоминает лепестки этого растения. Рисунок 10 – Антенна The Skew-Planar Wheel Сегодня антенна «клевер» одна из самых популярных антенн применительно к БПЛА. Из конструктивных, электрических и технологических признаков, присущих данной антенне модно выделить три свойства, которые определили её всеобщую популярность: - несмотря на нестандартную конструкцию, антенну «клевер» воз- можно изготовить не прибегая к промышленным мощностям или специальной технике. Для создания антенны в самом простом варианте необходимы четыре 15 идентичных элемента, которые крепяться разными концами к выводам сигнальной линии. Простота тиражирования для любителей, применение идентичных элементов и выштампованных деталей для промышленности позволило излучателю стать наиболее популярной антенной. - равнозначное с первым свойство относится к электрическим пара- метры: круговое излучение в горизонтальной плоскости, круговая поляризация по всей диаграмме направленности и входное волновое сопротивление близкое к 50 Ом. - свойство, которое дало применение именно для БПЛА: возможность поместить антенну в корпус с удовлетворительными аэродинамическими параметрами, а также малое негативное аэродинамическое воздействие при полётах без использования корпуса. 2.2 Классическая антенна «клевер» Разберем классическую конструкцию антенны «клевер» более детально на основе статей опубликованных Мелленом и Милнером, а также на примере существующих образцов, которые находятся в свободной продаже. Конструктивно известная антенна «клевер» представляет собой три или четыре соединённых друг с другом «лепестка», в месте соединения которых подключается источник питания одним полюсом на наклонные отрезки, а другим на горизонтальные. Длина отрезков равняется λ/4, а дуги λ/2, тем самым полная длина элементов лепестка равняется длине волны λ. Расстояние от точки питания до каждой точки дуги равняется λ/4. Компьютерная модель антенны «клевер» с отражёнными электрическими параметрами в программе MMANA-GAL 3 показана на рисунок 11. 16 а) б) Рисунок 11 – Антенна «клевер» с четырьмя лепестками: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Диаграмма направленности «клевера» - всенаправленная в горизонтальной плоскости, практически совпадает с такой у полуволнового диполя, но максимальный коэффициент усиления составляет 1.35 дБи, что меньше чем у такого, а также малая конструктивная надёжность, обоснованная слабой жёсткостью каркаса реальной антенны, являются существенными её недостатками. Основополагающим критерием рассматриваемой антенны является круговая поляризация, возникает она по классическим принципам благодаря размещенным под 45 градусов дуговым участкам, разнесенным на расстояния, по соизмерению кратными λ/2, образуя таким образом фазированную антенную решётку аналогичную [5, 6]. Именно положение этих элементов при синфазном питании является условием создания круговой поляризации. Также соизмеримые по длине с λ/2 дуговые участки, расположенные в пространстве крест на крест и ориентированные в горизонтальную плоскость, попарно ортогонально, обеспечивают формирование диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Вращение вектора поляризации в антенне «клевер» реализуется посредством геометрического сложения векторов исходящих прямых налокнных элементов, векторов исходящих из дуг. Это обеспечивает ортогональность векторов поляризации. Разность фаз равную 90° обеспечивает расстояние дуги от центра точки питания равное λ/4. Остальные векторы напряжённости, 17 формируют изотропную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности. Создание конструкции этой антенны не составляет трудностей и она может быть реализована как в виде скелетной конструкции из проводов с круглым сечением (рисунок 12,а [10]), либо выштампованными плоскими проводниками (рисунок 12,б. В любом из их вариантов требуется дополнительная защита от ударов, т.к. лепестки антенны крепятся в близких точках и не обеспечивается требуемая жёсткость конструкции. Это один из серьёзных недостатков антенны, который может привести к непоправимым повреждениям антенны при столкновении или падении. а) б) Рисунок 12 – Фотографии «клеверных антенн»: а – с проводниками круглого сечения, б – с выштампованными плоскими проводниками (б) 2.3 Квазишунтовой «клевер» Одним из недостатков известной антенны «клевер» в скелетном исполнении является недостаточная жёсткость устройства. Для повышения конструктивной надёжности «клевера» и оптимизации электрических характеристик, на базе анализа работы антенны, сделан вывод, что эквипотенциальные 18 верхние точки переходов дуг в наклонные прямые, идущие к точкам питания можно соединить крест-на-крест перемычками – квазишунтами. Не внося, казалось бы, ничего в принцип работы антенны эти перемычки обеспечили жёсткость, повысив надёжность конструкции. Причём данные отрезки могут пересекаться без электрического соединения и быть соединены друг с другом, образуя общую точку нулевого потенциала. Дополнительно к этому, в процессе компьютерного моделирования выяснилось, что точку нулевого потенциала ещё можно соединять как к одной, так и к другой клемме узла питания. Активная составляющая полного сопротивления такой антенны с квазишунтами увеличивается до 47 Ом, а реактивная уменьшается до 12 Ом, что идет на значительное улучшение согласование антенны с 50-омным кабелем - это отражено в значении КСВ = 1,3. В свою очередь на немного, но возрос коэффициент усиления антенны, с 1,35 dBi у отправного «клевера» до 1,57 dBi у искомого, что побудило глубже рассмотреть уже электрические параметры, кроме механических характеристик. А здесь, ни что иное, как за счёт дополнительных «балансирующих» проводников «квазишунтов» повысилась добротность всей резонансной системы устройства. Подтверждающие результаты отражены на рисунке 13. а) б) Рисунок 13 – Квазишунтовой «клевер»: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры 19 Рисунок 14 – Частотная характеристика КСВ квазишунтового «клевера». Доработка конструкции «клевера» с добавлением трубчатых проводников, тем не менее не является единственным способом повышения прочности антенны. В качестве дальнейших исследований квазишунтового «клевера», расширения применения его на более высоких частотах, с «развязкой» от широко используемого диапазона для телеметрии БПЛА 430 МГц, проведено дублирующее моделирование в программе Ansoft HFSS 14 [11] на частотах Wi-Fi диапазона, то есть на 2,4 ГГц. По результатам компьютерного моделирования изготовлен опытный образец, выполненный в гибридной конструкции (рисунок 15) из фольгированного стеклотекстолита с печатными протравленными медными дорожками и навесными дугами из медной проволоки. Это позволяет увеличить жёсткость конструкции при минимальном изменении электрических параметров антенны. Стоит отметить, что в печатном квазишунтовом «клевере» добавлено 4 вертикальных проводника, замыкающих нулевую точку квазишунтов с источником питания. При этом электрические характеристики и диаграмма направленности, сохранились, что говорит о неприхотливости к исполнению конструкции антенны с использованием квазишунтов, и в свою очередь указывает на улучшенную конструктивную надёжность антенны по сравнению со скелетным исполнением и нетребовательность к качеству изготовления антенны. 20 Рисунок 15 – Опытный образец антенны квазишунтовой «клевер». На рисунке 16 показана модель квазишунтовой «клевер» для компьютерного моделирования на частоте 2,4 ГГц, а на рисунке 16 график изменения КСВ в исследуемом диапазоне. Рисунок 16 – Модель квазишунтового «клевера» в программе HFSS 14. 21 XY Plot 1 Kvasi2 2.50 ANSOFT Curve Info VSWR(1) Setup1 : Sw eep 2.25 VSWR(1) 2.00 1.75 1.50 1.25 1.00 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 Freq [GHz] 2.45 2.50 2.55 2.60 Рисунок 17 – График зависимости КСВ от частоты излучения антенны. На рисунках 18 и 19 приведены зависимости полного входного сопротивления антенны и КСВ от радиуса попреречного сечения шунтов. 70 10 60 5 Сопротивление, Ом 50 0 40 30 -5 20 -10 R jX 10 -15 0 -20 -10 -20 -25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Радиус r, мм Рисунок 18 – График зависимости полного входного сопротивления антенны от радиуса проводников шунтов r. 22 1,6 1,5 КСВ 1,4 1,3 1,2 1,1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Радиус r, мм Рисунок 19 – График зависимости КСВ антенны от толщины шунтов r. Учитывая значимые конструктивные изменения антенны, в целях повышения механической надёжности устройства, прведшие к улучшению электрических характеристик и нестандартную реализацию подключения питания, то есть спектр отличительных признаков от прототипа: - антенны «клевер», были оформлены заявочные материалы на регистрацию интеллектуального продукта и получен патент RU166256U1 на полезную модель «Антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» [12]. 23 3. «Клеверная» антенна с ёмкостными квазишунтами В квазишунтовом «клевере» введение шунтов привнесло во входное сопротивление «клевера» уменьшение ёмкостной составляющей. При этом увеличение толщины шунтов уменьшает их активное сопротивление и увеличивает их влияние на полное сопротивление с возрастанием индуктивной и активной составляющих полного входного сопротивления антенны. В предыдущем разделе было установлено (рис. 16), что толщиной шунта можно варьировать реактивную составляющую входного сопротивления антенны, однако это приводит со сложностями конструктивного характера, т.к. для реализации такого приёма требуются проводники много большей толщины, чем у основного каркаса «клевера». Это приводит к проблемам при изготовлении антенны и утяжелению конструкции. Так для квазишунтового «клевера» изготовленного для частоты 433 МГц с толщиной проводников основной конструкции равной 4 мм требуются линейные шунтовые проводники диаметром не менее 10 мм. Т.е. для хорошего согласования антенны с фидером на частоте 433 МГц требуются «квазишунты» диаметром в 2 раза больше, чем у остальной окружающей конструкции. Было проведено исследование в целях замещения линейных проводников квазишунтового «клевера» для сохранения подстройки входного сопротивления антенны и недопущения значительного утяжеления конструкции для достижения требуемых параметров. В качестве замены линейных проводников предлагается использовать рамочные или многожильные конструкции. Конкретной реализацией квазишунтового «клевера» предлагается конструкция с шунтовыми элементами за место линейных проводников, которые выполняются в виде рамок к примеру ромбической формы с расстоянием Lш между тупыми углами ромбов (рис. 20). Различное положение и ориентация ромбов определяет варианты исполнения антенны, а именно «клевера» с вертикальными шунтами и горизонтальными шунтами (рис. 21 и 23). 24 Рисунок 20 – К пояснению замещения шунтов рамочными конструкциями. Вертикальные шунты представляют из себя две пересекающиеся ромбические рамки, ориентированные в вертикальной плоскости, в нижней точке пересечения ромбов возможно провести замыкающий проводник на одну из клемм источника сигнала по аналогии с квазишунтовым «клевером». а) б) Рисунок 21 – Квазиёмкостный клевер с вертикальными шунтами: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Рассмотрим эффект от замены линейных проводников указанной конструкцией. Исследуется компьютерная модель квазишунтового «клевера» с рамочнми шунтами с толщиной всех проводников 2 мм, построенная на частоту 433 МГц, варьируется только расстояние Lш со смещением соединений симметрично вверх и вниз. На графике (рис. 22) показана зависимость входного полного 25 сопротивления клеверной антенны с вертикальными рамочными шунтами. Как активная (шкала слева) так и реактивная (шкала справа) составляющие растут линейно с ростом увеличением расстояния Lш ромбов. Любопытен эффект наблюдаемый на графике реактивной составляющей: увеличение Lш уменьшает емкость на входе антенны аналогично длинным линиям и обкладкам конденсатора. 54 0 -2 52 Сопротивление, Ом -4 50 -6 48 -8 -10 46 R jX -12 44 -14 42 -16 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 Расстояние Lш , см Рисунок 22 – Зависимость сопротивления от расстояния Lш для вертикальных шунтов. Конечно, рамочные шунты не являются длинной линией и не могут представляется эквивалентом конденсатора, однако эта ключевая особенность послужила в качестве именования этой конструкции – квазиёмкостный «клевер». Приставка квази- как и в случае квазушнтового «клевера» выделяет основной конструктивный признак схожий с классическими решениями, но в точности их не копирующий ни в физическом, ни в функциональном назначении. Выполнение шунтов в квазиёмкостном «клевере» возможно не только в виде объёмных проволочных конструкций, но и плоскостных которые могут 26 быть выполнены на диэлектрической подложке из проводящих полосков. На рис. изображена модель такой антенны, где четыре ромбические горизонтальные рамки соединены друг с другом в крестообразную конструкцию. Для антенн более высоких частот такую фигуру легко изготовить на стеклотекстолитовой подложке и припаять к основной раме клеверной антенны (рис. 23). От общего соединения ромбов отходит вертикальный проводник замыкающий шунты и клемму питания как и в ранних исполнениях. а) б) Рисунок 23 – Квазиёмкостный клевер с горизонтальными шунтами: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. Рисунок 24 – Квазиёмкостный клевер с горизонтальными шунтами. 27 Рассмотрим, как влияют шунтовые рамки, расположенные в горизонтальной плоскости. Как и предыдущем опыте исследуется компьютерная модель квазиёмкостного «клевера» с горизонтальными шунтами и толщиной всех проводников 2 мм, построенная на частоту 433 МГц, варьируется только расстояние Lш со смещением соединений симметрично вверх и вниз. 52 0 51 -2 Сопротивление, Ом 50 -4 49 48 -6 47 -8 R jX 46 -10 45 -12 44 43 -14 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 Расстояние Lm Рисунок 25 – Зависимость сопротивления от расстояния Lш для горизонтальных шунтов. График на рис. 25 показывает точно такую же, но с большим возрастанием зависимость, что и для вертикальных шунтов. Поэтому такая конструкция хоть и более сложная по сравнению с предыдущей, но немного эффективней, к тому же горизонтальные шунты, как уже отмечалось можно исполнить на текстолитовой подложке для антенн диапазоном 2,4 ГГц и выше. По разработке «Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами получен патент на полезную модель RU188892U1 [13]. 28 4. Квазишунтовой «клевер» с резонатором Дальнейшая работа с квазишунтом дала результат в виде модификации квазишунтового «клевера» с резонатором. Суть этой разработки заключается в преобразовании вертикального проводника протянутого от точки пересечения квазишунтов до одной из клемм сигнальной линии с образованием двухпроводной линии. Если принимать полосу пропускания квазишунтвого «клевера» с шириной ΔfКСВ=2.0 = 50 МГц (рис. 14) как недостаточно узкую, то «клевер» с резонатором служит для исправления этого недостатка с сохранением остальных характеристик на прежнем качественном уровне. Кроме повышенной частотной избирательности и помехозащищённости в антенне упрощается устройство обеспечения жёсткости конструкции для увеличения механической надёжности за счет выполнения вертикального проводника в различных вариациях. Модель с результатами моделирования изображены на рис. 26. а) б) Рисунок 26 – Квазишунтвовой «клевер» с резонатором: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. 29 Технический результат «клевера» с резонатором достигается введением в электрическую схему резонансной четвертьволновой двухпроводной линии, сужающей частотную полосу пропускания и использование одного из проводников этой линии в качестве упрочняющей несущей оси, повышающей надёжность конструкции с упрощением устройства обеспечения жёсткости. Сравнительно с квазишунтовым «клевером» без резонатора в модификации полоса пропускания уменьшилась до ΔfКСВ=2.0 = 32.3 МГц (рис. 27). Рисунок 27 – Частотная зависимость КСВ квазишунтового «клевера» с резонатором. Также преимущество технического решения над прототипом усматривается в том, что в конструкцию антенны круговой поляризации квазишунтовой «клевер» дополнительно введён упрочняющий конструкцию осевой проводник, упрочняющий осевой проводник электрически замыкая вибраторы. Это повышает помехозащиту, а закорачивающий проводник, проложенный параллельно осевому проводнику образует симметрирующе-согласующее устройство, выполненное в виде короткозамкнутой двухпроводной линии резонансной системы. Упрочняющий проводник может быть выполненным трубчатым для прокладки питающего коаксиального фидера с выходом и непосредственным 30 подключением экранирующего проводника в точке клеммы питания. Внутри осевого трубчатого проводника возможно проложить питающий коаксиальный фидер с выходом и непосредственным подключением экранирующего проводника к клеммам питания, что расширяет варианты реализации антенны в «железе». На рис. 28 и 30 представлены работоспособные модели квазишунтвого «клевера» с резонатором и дополнительными шунтами, которые ещё больше повышают жёсткость конструкции. а) б) Рисунок 28 – Квазишунтвовой «клевер» с резонатором: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. Рисунок 29 – Частотная зависимость КСВ квазишунтового «клевера» с резонатором. 31 а) б) Рисунок 30 – Квазишунтвовой «клевер» с резонатором: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. Рисунок 31 – Частотная зависимость КСВ квазишунтового «клевера» с резонатором. Учитывая новизну в достижении технического результата, а также пригодность разработки для массового промышленного тиражирования на техническое решение антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» с резонаторным питанием подана заявка на получение патента на полезную модель RU2019111617 от 16.04.2019 г. 32 5. Коаксиальный «клевер» В ходе исследования работы классической «клеверной» антенны в плане изменения геометрии лепестков для уменьшения габаритов антенны, а также влияния центрального проводника сигнальной линии на параметры антенной системы был выявлен интересный эффект, который далее именуется коаксиальным. Данный эффект заключается в том, что в зависимости от соотношения диаметра центрального проводника d и максимальным расстоянием между противоположными точками антенны D существенно изменяется значение полного сопротивления антенны по соотношению тождественному для параметров коаксиальной линии. На рисунке 32 представлен эскиз коаксиальной антенны для которой справедлив коаксиальный эффект. Рассмотрим коаксиальный «клевер» подробнее. Рисунок 32 – Коаксиальный «клевер». 33 Рисунок 33 – Параметры коаксиального «клевера». Определим известные соотношения для параметров коаксиального кабеля: Погонной ёмкости коаксиальной линии C0 2 0 , Ф/м ln D / d (5) Погонной индуктивности коаксиальной линии L0 0 D ln , Гн/м 2 d (6) Широко известна формула Z c L0 / C0 138 0 lg D , Ом d (7) Рассмотрим, как изменяется полное входное сопротивление антенны от длины жилы (рис. 34). Антенна также настроена на частоту 433 МГц, с подачей сигнала соответствующей частоты. Выходной импеданс источника сигнала 50 Ом, r - радиус поперечного сечения центрального проводника. 34 4 КСВ(50 Ом) 3,5 3 0,03λ 2,5 0,045λ 0,06λ 2 0,075λ 0,09λ 1,5 1 400 405 410 415 420 425 430 435 440 445 450 455 460 Частота, МГц Рисунок 34 – Зависимость КСВ от длины элемента в частотном диапазоне (r = 0.8 мм) 60 Сопротивление, Ом 40 20 0 R jX -20 -40 -60 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 Длина l, λ Рисунок 35 – Зависимость полного входного сопротивления от длины элемента (при радиусе r = 1,3 мм и f = 433 МГц) График на рис. 35 наглядно показывает, что при увеличении длины жилы с сохранением соотношения D/d линейно увеличивается мнимая составляющая 35 сопротивления переходя из ёмкостной составляющей в индуктивную в точке 0,075λ. Активная составляющая аналогично имеет линейный характер возрастания по причине увеличения сопротивления проводника на фоне его удлинения с сохранением радиуса. Эти зависимости отражаются на частотной зависимости показанной на рис. 34. В соответствии с формулой резонансной частоты f р 1/ 2 LC (8) увеличение индуктивной составляющей при прочих равных приводит к уменьшению резонансной частоты, что видно на графиках. Резонанс для длины жилы l = 0.09λ соответствует частота fр = 413 МГц, а для l = 0.06λ резонанса находится на частоте fр = 435 МГц. Увеличение КСВ с ростом резонансной частоты связан с увеличением активной составляющей входного сопротивления. C увеличением индуктивной и уменьшением индуктивной составляющей на нижних частотах исследуемого интервала частот увеличивается добротность антенны Q, что влияет на ширину полосы пропускания антенны Δf находящиеся в следующих соотношениях: Q 1 1 L0 Zc , f 1/ Q R R C0 (9) Из описанного делаем тот вывод, что чем длиннее жила в коаксиальной антенне, тем выше добротность и пропорционально ей меньше ширина полосы пропускания антенны. На графике для длины жилы l = 0.09λ полоса пропускания антенны по уровню КСВ = 1.5 ΔfКСВ=1.5 = 22.5 МГц, а для l = 0.06λ полоса пропускания увеличилась до ΔfКСВ=1.5 = 25 МГц. Выводом из представленных данных в том, что с изменением длины жилы в коаксиальной антенне возможно изменять не только резонансную частоту антенны, но и её добротность, что приводит в свою очередь к изменению полосы пропускания антенны. Теперь проследим как меняются электрические и частотные характеристики коаксиальной антенны от изменения радиуса жилы при прочих равных параметрах антенны, которые аналогичны предыдущему опыту. 36 На рис. 36 показана тенденция к уменьшению резонансной частоты при уменьшении толщины жилы антенны. При этом явна нелинейность этой зависимости, т.к. фиксированный шаг по варьированию толщины жилы не соответствует таковому у резонансных частот полученных частотных характеристик. Прослеживается и КСВ близкое к 1 в минимумах для всех полученных частотных характеристик. 4 КСВ(50 Ом) 3,5 3 0,5 мм 2,5 1 мм 1,5 мм 2 2 мм 2,5 мм 1,5 1 400 405 410 415 420 425 430 435 440 445 450 455 460 Частота, МГц Рисунок 36 – Зависимость КСВ от радиуса элемента в частотном диапазоне (l = 0.075λ) 37 60 Сопротивление, Ом 50 40 30 20 R 10 jX 0 -10 -20 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 Радиус r, мм Рисунок 37 – Зависимость полного входного сопротивления от радиуса элемента (при длине l = 0,075λ и f = 433 МГц) Для большего понимания причин такого поведения КСВ взглянем на рис. 37, где представлена зависимость полного входного сопротивления от радиуса жилы коаксиальной антенны. Явно видна нелинейная спадающая зависимость мнимой составляющей сопротивления, что и отражено на частотной характеристике КСВ, где шаг характеристик нелинейный. Активная составляющая сопротивления имеет малый наклон характеристики, что и приводит к КСВ ≈ 1 для всех частотных зависимостей на рис. Кроме этого важно отметить тот факт, что согласно формуле (10) индуктивности коаксиального кабеля, она снижается по логарифмическому закону с увеличением диаметра внутреннего проводника d, т.е. Lcoax ln D d (10) Именно эта зависимость и прослеживается на рис. у линии мнимой части входного сопротивления коаксиальной антенны. Увеличение толщины жилы также уменьшает входное сопротивление, т.к. диаметр проводника увеличивается при неизменной длине. 38 Изменение добротности Q, а вместе и ширины пропускания антенны Δf от радиуса жилы не существенно, т.к. уменьшение индуктивности компенсирует уменьшение активной составляющей, поэтому эти параметры остаются практически неизменными при всех исследуемых толщинах жилы коаксиальной антенны. Из вышеописанного делаем вывод, что: изменение длины центрального проводника (жилы) коаксиальной антенны приводит к существенному сдвигу резонансной частоты и изменению ширины полосы пропускания антенны. изменение толщины центрального проводника (жилы) коаксиальной антенны приводит к существенному сдвигу резонансной частоты без заметного изменение ширины полосы пропускания антенны. На практике наиболее удобоваримым является замена жилы с другой толщиной нежели длиной, т.к. это не нарушает окружающую фазированную антенную решетку, поэтому практическое применение коаксиальной антенны можно найти в целях, где требуется оперативное изменение резонансной частоты антенны, к примеру в метрологии. По техническому решению антенна круговой поляризации коаксиальный «клевер» получен патент на полезную модель RU187840U1[15]. 39 6. «Клевер» с активным противовесом Небезынтересным с точки зрения прикладного применения является исследование влияния окружения на электрические характеристики клеверных антенн, например, от их расположения над проводящей поверхностью, допустим, над имитирующей корпус беспилотного летательного аппарата или крыши здания. Из-за недостатка основополагающей информации по работе таких антенн с окружающими их переизлучателями, широкое применение которых отмечается только в последние годы, любое исследование открывает элементы новизны и перспективы к дальнейшим поискам. С учётом того, что основные параметры классического и квазишунтового «клевера» соизмеримы, сравнительное компьютерное моделирование аналогов производится с использованием электронной модели квазишунтового «клевера». За отправные результаты берутся характеристики квазишунтового "клевера" с подстилающей поверхностью изображенный на рис 38, б. б) а) Рисунок 38 – Антенна квазишунтовой «клевер» в свободном пространстве (а) и квазишунтовой «клевер» с подстилающей поверхностью (б) Изменение основных характеристик антенны прослеживается по зависимостям изменения КСВ, вертикальной и горизонтальной составляющих диаграммы направленности антенны квазишунтовой «клевер». При высоте подъёма 40 антенны на 0.25λ над проводящей поверхностью полоса пропускания по уровню КСВ = 1.5 составляет ΔfКСВ=1.5 = 16 МГц (рис. 39). Рисунок 39 – График зависимости КСВ квазишунтового «клевера» с подстилающей поверхностью. На таком расстоянии от подстилающей поверхности значительно искажается горизонтальная составляющая диаграммы направленности квазишунтового «клевера» (рис. 40), отношение между максимумом и минимумом в горизонтальной плоскости приблизительно равно -17 дБ. Рисунок 40 – Диаграмма направленности антенны квазишунтовой «клевер» при высоте 0.25λ над подстилающей поверхностью. 41 С увеличением высоты подъема антенны до 0.72λ над поверхностью, искажения в диаграммы направленности по горизонтальной составляющей поляризации снижаются и характеристика излучения приближается к равномерной всенаправленной (рис. 41) Рисунок 41 – Диаграмма направленности антенны квазишунтовой «клевер» при высоте 0.72λ над подстилающей поверхностью. При исследовании патентных баз обнаружилась всенаправленная кольцевая антенна, которую можно квалифицировать как клеверную антенну с пассивными противовесом, что видно из рисунка 42, а) [16]. Исследования ведутся, для единообразия по названию, с антенной квазишунтовой "клевер" с пассивным противовесом. В полосе частот 100 МГц у неё проявляются «скачки» КСВ и значительно сокращается, до единиц МГц, полоса пропускания на уровне КСВ = 1.5 (рис. 43) 42 а) б) Рисунок 42 – Антенны квазишунтовой «клевер» с пассивным противовесом (а) и подстилающей поверхностью (б). Рисунок 43 - График зависимости КСВ квазишунтовой "клевер" с пассивным противовесом. С увеличением высоты над подстилающей поверхностью происходит наглядное изменение диаграммы направленности, но за счёт экранирующего эффекта противовеса глубина изменений меньше, как и меньше диапазон изменения КСВ в полосе 100 МГц, чем у отправной антенны квазишунтовой «клевер» (рис. 44 и 45). 43 Рисунок 44 – Диаграмма направленности антенны при высоте 0,25λ над подстилающей поверхностью. Рисунок 45 – Диаграмма направленности антенны при высоте 0,37λ над подстилающей поверхностью. С учётом полученных результатов, при моделировании более 200 версий электрических характеристик, при анализе работы в разных условиях, было выработано устройство инновационной патентоспособной антенны, всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом. Техническое решение всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом обеспечивается тем, что она содержит проволочные петлиизлучатели, равномерно распределенные по кругу и синфазно запитанные 44 от одной коаксиальной линии. Плоскость каждой из петель повернута относительно плоскости, проходящей через вертикальную продольную ось антенны с углом поворота петель в зависимости от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризации. Ниже установлен конусный противовес с гальванически соединёнными нижними концами петель к его верхней части, внутри которого проходит линия питания антенны. Конусный противовес выполнен скелетным, и содержит проволочные двухпроводные четвертьволновые шлейфы, равномерно распределённые по кругу, по числу проволочных петель, которые соединены разомкнутыми концами с клеммами питания проволочных петель. Замкнутые концы наклонных петель сторон конусного противовеса соединены между собой проводником, образующим внешний кольцевой периметр конуса. Эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли могут быть дополнительно соединены проводниками с общей точкой на продольной оси. Эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли, соединенные проводниками с общей точкой на продольной оси, могут быть соединены по продольной оси проводником с клеммой питания. Учитывая предыдущие названия исследованных антенн, её можно квалифицировать как антенну, квазишунтовой "клевер" с активным противовесом. Компьютерное моделирование проведено при тех же вводных, что и в исследовании аналогов. 45 б) а) Рисунок 46 – Антенны квазишунтовой «клевер» с активным противовесом (а) и квазишунтовой «клевер» с активным противовесом над подстилающей поверхностью (б). Этап исследования КСВ привёл к неожиданным результатам. Несмотря на введение резонансных элементов: - четвертьволновых шлейфов, рабочая полоса частот увеличилась в 2 раза до 34 МГц. Выровнялся в рассмотренном диапазоне и ход изменения КСВ (см. рисунок 47). Всё это значительно улучило электрические характеристики предложенной антенны в сравнении с ранее рассмотренными антенными устройствами. Рисунок 47 - График зависимости КСВ 46 Изменения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости меньше (рис. 48), чем у чистого «клевера» с подстилающей поверхностью (рис. 49) Рисунок 48 - Диаграмма направленности антенны квазишунтовой «клевер» над подстилающей поверхностью. Рисунок 49 – Диаграмма направленности антенны квазишунтовой «клевер» с активными противовесом и подстилающей поверхностью. По результатам исследований тенденций развития клеверных антенн разработано патентоспособное техническое решение и подана совместно с Полярным геофизическим институтом заявка на изобретение RU2019109776 от 02.04.2019 [17]. 47 7. Увеличение коэффициента усиления 7.1 Общие сведения Ранее рассмотренные антенны обладают коэффициентом усиления немного отличающимся от классической клеверной антенны равным 1.3 – 1.8 дБи. Малый коэффициент усиления целесообразен в подвижных системах связи, когда взаимное расположение антенн трудно или нецелесообразно прогнозировать, т.к. чем меньше КУ, тем больше раскрыв диаграммы направленности антенны, это имеет смысл в ближней связи. Вместе с тем диаграмма направленности имеет в «клеверных» антеннах практически изотропный характер, малая интенсивность излучения негативно сказывается на связи отдалённых друг от друга объектов. Для повышения эффективного радиуса действия радиосистемы возможны пути увеличения коэффициента усиления антенны, усиления мощности передатчика и переход на нижний рабочий диапазон частот. Последние два варианта практически нереализуемы, по причине физических и технических ограничений и требуют вмешательства в саму приёмо-передающую аппаратуру. Замена же антенно-фидерного оборудования зачастую возможны без какого-либо принципиально изменения аппаратуры передачи/приёма сигналов. Для получения большего коэффициента усиления антенны требуется увеличить её площадь раскрыва или апертуры. Увеличение апертуры в диапазонах УКВ реализуется добавлением элементов в продольном (вдоль распространения волны) и в поперечном (перпендикулярно распространению волны) направлениях. Примером продольных элементов являются директор и рефлектор, которые являются переизлучателями электромагнитной волны. Типом антенны с поперечным увеличением апертуры являются фазированные антенны решётки, которые за счёт расположения идентичных излучающих конструкций равномерно по площади создают синфазное результирующее поле более интенсивное по сравнению с одинарным излучателем [18]. 48 7.2. Антенна «клевер» с рамочными переизлучателями При выборе формы переизлучателей для всенаправленной антенны круговой поляризации, было сделано интересное заключение, заключающееся в том, что наиболее оптимальной геометрией переизлучателя является правильный шестиугольник. В ходе моделирования оказалось, что "классические" линейные переизлучатели, конструкции крестообразной формы, спирали левого и правого вращения положительных результатов не дали. Однако, окружение в виде проводниковых рамок с периметрами сторон, равными λ, обеспечило прогнозируемые результаты. Разместив вокруг квазишунтового «клевера» четыре рамки в виде шестиугольников с периметром соизмеримым с λ (рисунок 50, а), были получены результаты, отражённые на рисунке 50, б. а) б) Рисунок 50 – Квазишунтвой «клевер» с переизлучателями (0.25λ): а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. 49 По результатам видно, что общий коэффициент усиления возрос с 1.57 до 2.3 дБи, однако имеется недопустимо большой коэффициент эллиптичности с доминирующей горизонтальной составляющей. Причиной такого двоякого результата является пересечение плоскости рамки четвертьволновым участком «клевера». В исследовании выяснилось, что оптимальное расстояние от центра фазового центра до рамок составляет 0.3λ, что проявляется результатами электронного моделирования (рисунок 51). «Такое размещение резонансных элементов в индуктивной зоне устройства антенны обеспечило повышение добротности, сопровождающееся увеличением коэффициента усиления с доведением его до коэффициента усиления "классического" диполя» [19]. а) б) Рисунок 51 – Квазишунтвой «клевер» с переизлучателями (0.3λ): а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры. 50 Как видно из представленных на рисунке 51,б характеристик, коэффициент усиления разработанной и исследованной антенны достигает значения 2.45 дБи, по сравнению с версией предшественником, у которого он не превышает 1.57 дБи. Важно отметить, что повышение этой характеристики происходит без уменьшения раскрыва диаграммы направленности в вертикальной плоскости, а коэффициент стоячей волны уменьшен до значения 1.1 и приближен к практически идеальному значению [20]. Удаление рамок от «клевера» на расстояние больше оптимального (рисунок 52,а) приводит к увеличению вертикальной составляющей поляризации одновременно с увеличением КУ до 2.68 дБи и КСВ 1.5, что приведено на рисунке 52,б для расстояния 0.35λ. В этом случае значительное отклонение коэффициента эллиптичности поляризации определяемое от 1 до -4 дБ переводит этот излучатель в класс антенн с эллиптической поляризацией. а) б) Рисунок 52 – Квазишунтвой «клевер» с переизлучателями (0.35λ): 51 а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Рисунок 53 – Варианты закрепления рамочных переизлучателей: а) на трёх проводниках, б) на двух проводниках, в) соединение крест, г) наружное соединение, д) соединение внутрь, е) внутрь горизонтальное 52 На рисунке 53 изображены эскизы прикладных образцов квазишунтового «клевера» с различными видами креплений переизлучателей. значения коэффициента усиления GA и КСВ полученные при моделировании сведены в диаграмму представленную на рисунке 54. 8,53 9 8 7 6 5 4 3 3,16 2,21 1,94 2 1 2,14 1,53 1,4 1,3 2,32 2,24 2,02 1,47 1,46 0,28 0 a б в г Ga д е ж КСВ Рисунок 54 – Сравнительная диаграмма параметров для различных исполнений квазишунтового «клевера» с переизлучателями. Для ещё большего увеличения коэффициента усиления по аналогии с линейными детекторными антеннами в разработку был добавлен второй ряд переизлучателей. Моделируемая конструкция представляет собой сочетание исходной антенны (рисунок 55) и коаксиально размещенных директорных элементов в виде восьми рамок. В процессе моделирования проводниковые рамки размещались последовательно на классических расстояниях для антенной техники: 0.5λ, 0.75λ и λ. В качестве предположительного варианта также было использовано расстояние 0.6λ. Порядок исследований, с учётом теоретических предпосылок, представлен серией результатов электронного моделирования, которые наглядно отражают ход изменений электрических параметров при изменении соотношений в расстановке переизлучателей, как показано на рисунках 55 – 58. 53 Рисунок 55 – Диаграмма направленности исследуемой модели, дополненной рамочными переизлучателями на расстоянии 0,5λ Рисунок 56 – Диаграмма направленности исследуемой модели, дополненной рамочными переизлучателями на расстоянии 0,6λ Рисунок 57 – Диаграмма направленности исследуемой модели, дополненной рамочными переизлучателями на расстоянии 0,75λ 54 Рисунок 58 – Диаграмма направленности исследуемой модели, дополненной рамочными переизлучателями на расстоянии λ Анализ полученных результатов позволил выявить лучший вариант конфигурации антенны с отнесением рамочных переизлучателей на 0.5λ относительно центра антенны (рис. 55, а), где за основу принята предыдущая модель. Это соответствует дальнему полю, в котором действуют классические методы описания антенн. Увеличение расстояния между директорными структурами ведёт к повышению коэффициента усиления антенны, но приводит к нарушению баланса линейных поляризаций в вертикальной плоскости и полному соответствию линейных поляризаций в горизонтальной плоскости, что подтверждается вышеописанными результатами [21]. В свою очередь, не исключается, что на базе глубокого анализа работы клеверных антенн ещё есть возможность улучшить некоторые характеристики этих оригинальных конструкций? Например, для увеличения коэффициента усиления, есть версия, повысить добротность системы, так как любая антенна является резонансным устройством. Для этого необходимо внести качественные изменения в структуру устройства, повышая резонансные характеристики. Это возможно сделать как изменением конструкции составных элементов устройства, так и его дополнением в индуктивной зоне элементами с ярко выраженными резонансными характеристиками [22]. 55 По данной разработке был получен патент на изобретение № 171817 [23] и изготовлены опытные образцы антенны в различном исполнении (рис. 59 – 61). Рисунок 59 – Квазишунтовой «клевер» с рамочными переизлучателями. Рисунок 60 – Квазишунтовой «клевер» с рамочными переизлучателями с внутрь вертикальным соединением. 56 Рисунок 61 – Квазишунтовой «клевер» с дополнительными рамочными переизлучателями. 7.3. Антенные решётки с поперечными вибраторами Принцип их работы антенн с поперчено расположенными вибраторами заключается в том, что «в антенных решётках существенным является равенство фаз всех излучающих элементов, что необходимо для создания максимального усиления антенны в направлении перпендикулярном полотну решётки». На сегодняшний день известно огромное количество антенн с поперечным расположением вибраторов, в частности фазированные антенные решётки и коллинеарные антенны. В дальнейшем в книге описывается только коллинеарные конструкции «клеверных» антенн, т.к. имеется ограниченность возможностей преобразования изотропных антенн в антенны с поперечными вибраторами. Коллинеарные - означает «соосные», то есть все излучающие элементы фазированной антенной решётки располагают вдоль одной оси и обеспечивают увеличение коэффициента усиления относительно базового элемента за счёт подведения синфазного питания ко всем элементам. 57 а) б) Рисунок 62 – Коллинеарные антенны: а – с последовательным соединением, б – с параллельным соединением. При расположении базовых элементов друг под другом, обеспечивается усиление антенной системы за счёт равномерного формировании поля в азимутальной плоскости. Фазирование происходит благодаря техническим решениям коммутации питания, обеспечивающего синфазность сигналов для всех активных элементов. Всё делается для того, чтобы все сигналы, принятые каждым элементом, приходили к общей точке в одной фазе и тем самым за счёт суммирования увеличивали наводимое в проводниковых элементах антенны увеличенную электродвижущую силу (рисунок 62). Аналогично, в случае излучения антенной, обеспечивается амплитудно-фазовое распределение излучаемых электромагнитных волн от каждого элемента коллинеарной структуры, обеспечивая большую напряжённость электромагнитного поля в направлении с синфазным сложением волн. В свою очередь сама реализация коммутации может иметь разные схемотехнические решения подключения элементов, как последовательно, так и параллельно, чтобы в любом случае обеспечить их синфазность питания. В общем случае для уменьшения линейной протяжённости полуволновые элементы размещают в непосредственной близости друг под другом, подключая через линии 58 задержки, или обеспечивая равные длины линий питания к каждому активному антенному вибратору. Примером коллинеарных антенн является многоэтажный круговой излучатель вертикальной поляризации (рисунок 63 [24]) описывающийся в [3 с. 409, 24]: «…ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости уменьшается, следовательно, возрастает усиление, прицеленное к одиночному вертикальному полуволновому вибратору…». В данной антенне возбуждение осуществляется последовательно через четвертьволновые элементы, которые обеспечивают необходимое фазирование антенного ряда: «Синфазное возбуждение полуволновых секций осуществляется с помощью промежуточных четвертьволновых элементов, разворачивающих фазу на 180⁰». Рисунок 63 – Вертикальный вибраторный ряд из четырёх элементов для диапазона 144 МГц. 59 Кроме того, возможно изменение и других характеристик антенны, к примеру, изменение поляризационных характеристик излучателя. На примере спиральных антенн, которые имеют направление вращения вектора поляризации совпадающее с направлением намотки спирали (рисунок 64 [25]). «При однотипной укладке спиралей поляризация остается эллиптической. Если противоположно намотанные спирали разместить рядом в горизонтальной плоскости антенна будет принимать волны горизонтальной поляризации. Установив те же спирали вертикально - одну над другой, получают антенну вертикальной поляризации» [25]. Таким образом коллинеарные структуры не только повышают направленные свойства антенн как линейной так и эллиптической поляризации, но и могут изменять поляризационные характеристики антенной системы. а) б) Рисунок 64 – Получение линейной поляризации двумя спиральными антеннами противоположной намотки: а – при параллельном включении; б – при последовательном включении 7.4 Коллинеарная «клеверная» антенна круговой поляризации. Создание «клеверной» антенный с поперечными вибраторами рассматривается в качестве альтернативы «клеверной» антенне с рамочными переизлучателями с итоговым достижением того же результата – увеличением коэффици- 60 ента усиления, но с иной реализацией. Изотропный характер излучения «клевера» в горизонтальной плоскости значительно ограничивает вариации построения группы излучателей, исключая конструкцию фазированной решётки в плоскости и предполагая только один вид образования группы излучателей – линейный вдоль одной оси или коллинеарный. Если «клеверная» антенна с рамочными переизлучателями взамен повышения GА значительно увеличивается в размерах в горизонтальной плоскости, то коллинеарная антенна напротив будет иметь увеличенные размеры в вертикальной плоскости. Разработка альтернативной вариации «клевера» с увеличенным коэффициентом усиления расширит пространство использования излучателей данного типа. Чтобы определить оптимально расстояние между двумя «клеверными» антеннами было проведено исследовательское моделирование для различных расстояний между «клеверами», результаты моделирования в сведены в график на рисунке 63. 5 4 3 Ga 2 1 0 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 Расстояние L, λ Рисунок 65 – Зависимость коэффициента усиления коллинеарной антенны от расстояния между элементами. 61 Наибольший коэффициент усиления достигается при разнесении «клеверов» на расстояние 0.85λ. Однако как видно на рисунке 66 диаграмма направленности имеет существенные боковые лепестки, что недопустимо. Рисунок 66 – Диаграмма направленности двух «клеверов» разнесённых на расстояние 0.85λ. Исходя из классики пространственного разноса, целесообразным при размещении ненаправленных антенн в синфазной антенной решётке для формирования оптимальной направленности и требуемого эффекта при минимизации размеров является расстояние, соизмеримое с λ/2. Этот подход был исследован, и был получен результат при питании от двух источников с фазовым разносом в 0°, с синфазным подключении обоих «клеверов». В качестве отправной точки было проведено упрощенное компьютерное моделирование примитивной антенной решётки без токоведущих фазирующих элементов. На рисунке 67,а приведен вид компьютерной модели и результаты компьютерного моделирования двух «клеверов» рисунок 67,б. Требуется учитывать и то свойство антенных решёток с излучателями круговой поляризации, которое приводит к результирующему излучению электромагнитной волны линейной поляризации, что было описано ранее на примере спиральных антенн. Следовательно, направление вращения дуговых участков «клеверной» антенны должно быть одинаковым на обоих излучателях. 62 а) б) Рисунок 67 – Коллинеарный «клевер» с разнесением элемента на расстояние λ/2: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Интересующий параметр коэффициента усиления предсказуемо возрос до 3.43 дБи, что в 1.44 раза больше по сравнению с одиночным «клевером». Конечно, остальные параметры как КСВ и полное входное сопротивлении некорректно учитывать, т.к. при введении соединительных питающих проводников эти параметры изменяться. Однако, даже такой вариант размещения «клеверов» является подходящим для дальнейшего развития и создания практически реализуемой модели с доведением до натурного образца. В процессе дальнейших исследований был выработан подход, обеспечивающий реализацию поставленной цели. Для практического использования разработана компьютерная модель промежуточного псевдоколлинеарного «клевера» с одной точкой подключения питания и электрическим соединением «клеверов» через общее основание, с усиленной прочностью конструкции за счёт промежуточной стойки и синфазной работой элементов за счёт разности длин соединительных проводников внутри стойки (рисунок 68). 63 а) б) Рисунок 68 – Псевдоколлинеарный «клевер»: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры В данной реализации в качестве базовых элементов используются квазишунтовые «клевера», которые имеют лучшие электрические характеристики в дециметровом диапазоне волн, по сравнению с классическим «клевером». В свою очередь именно антенны квазишунтовой «клевер», что немаловажно, из-за наличия точек нулевого потенциала можно наращивать этажами без нарушения электрических цепей токов. Также необходимо отметить, что питание антенны производится несимметрично исходя из геометрии, но при этом оба базовых элемента излучают синфазно, т.е. обеспечивается только электрическая симметрия данной антенны. Это означает, что нельзя достоверно называть данную антенну коллинеарной, поэтому данная антенна носит конструкторское название псевдоколлинеарный «клевер». По компьютерной модели пседоколлинеарный «клевер» изготовлен опытный образец (рисунке 69) для наработки последовательности построения антенны с использованием различных материалов и способов подведения питания к антенне с последующим измерением электрических характеристик. На опыте проработки компьютерных моделей, практики изготовления экспериментальных 64 образцов и выявленных тенденций при измерениях, проявилось целое новое направление антенных устройств на базе комбинаций антенн круговой поляризации квазишунтовой «клевер». И если предыдущие модели строились с учётом увеличения диаметров антенных систем за счёт увеличения переизлучателей, то лучшие результаты показывает продольно-осевое нестандартное размещение парами самих «клеверов». Рисунок 69 – Опытный образец антенны круговой поляризации псевдоколлинеарный «клевер». 7.5. Этажерочная антенна круговой поляризации Несмотря на фактически готовый вариант антенны с поперечными «клеверными» излучателями были исследованы и предприняты дальнейшие изыскания в направлении коллинеарной антенны с «клеверными» излучателями. В направлении создания модификаций данной антенны были проработаны варианты с изменением относительного положения базовых элементов антенны, таким образом, появились варианты этажерочного «клевера» с разнонаправлен- 65 ными «клеверами» (рисунок 70) и встречнонаправленными «клеверами» (рисунок 71). Здесь в основе лежит не идентичность составных вдоль оси элементов, а парная симметрия. Другим из основных отличий этих антенн является расстояние между базовыми элементами составляющее 0.33λ. При этом, возникает противоречие классической теории антенн, где оптимальное расстояния между базовыми элементами должно быть 0.5λ, в компьютерном моделировании данных антенн такой тезис обретает условный характер, то есть применяемый не ко всем типам антенн. а) б) Рисунок 70 – Разнонаправленный этажерочный «клевер»: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры 66 а) б) Рисунок 71 – Встречнонаправленный этажерочный «клевер»: а – геометрия; б – диаграмма направленности и параметры Вышеуказанные скелетные конструкции антенн целесообразно изготовлять для дециметровых и ниже диапазонов радиоволн. В этих диапазонах толщины и размеры проволочных элементов позволяют создать достаточно устойчивую к механическим повреждениям конструкцию не прибегая к дополнительным способам обеспечения жёсткости конструкции. Однако для диапазонов частот от 2 ГГц и выше толщина проводников не будет превышать 2 мм, а длина дуговых участков 70 мм, что не позволяет создать механически прочную конструкцию. Одним из способов увеличения жёсткости каркаса антенны является исполнение проводников антенны в виде полосков на твердой диэлектрической подложке, как это было описано в разделе посвящённой квазишутновому «клеверу». В качестве материала диэлектрической подложки наиболее подходящим является фольгированный стеклотекстолит. Применение других материалов менее целесообразно: гетинакс обладает непрочной слоистой структурой и неудовлетворительными диэлектрическими характеристиками на высоких частотах, а керамика дорогой и неудобный материал для вытачивания из него тонких пластин сложной формы. Для реализации конструкции, наиболее рационально применить две перпендикулярно расположенные пластины фольгированного стеклотекстолита, с 67 вытравленными медными дорожками, которые образуют горизонтальные, наклонные и несущие проводники антенны. Пластины имеют прорезы в середине, чтобы провести коаксиальный кабель к точке питания и для надёжной фиксации пластин. Медная проволока образует дуговые элементы антенны и соединяется с полосковыми проводниками пайкой – этого достаточно, чтобы сформировать прочную конструкцию. На рисунке 72 приведён вид компьютерной модели разнонаправленного этажерочного «клевера» созданной в прикладной программе HFSS 14 на частоту 2.45 ГГц. Рисунок 72 – Вид компьютерной модели антенны этажерочный «клевер» На рисунках 73 и 74 приведены диграммы направленности вертикальной и горизонтальной составляющих поляризации в вертикальной плоскости и в горионтальной плоскости соответственно. При этом максиамальный коэффициент усиления равен Ga = 3.68, это значение соответсвует углу 30⁰ 68 относительно горизонта. На ДН явно выделяются искажения на полюсах, они связаны с меньшим расстоянием между «клеверами», хотя они гораздо менее выражены по сравнению с аналогичным расстоянием применительно к дипольным антеннам. Соотношение составляющих поляризации по всей ДН близко к единице, поэтому справедливо указывать, что антенна является излучателем электромагнитных влон круговой поляризации. На рисунках 75 и приведены 76 кросс-поляризационные характеристики. В вертикальной плоскости максимум излучения с левовинтовой поляризацией на 15 дБ ниже основной правовинтовой, а в горизонтальной плоскости на 18 дБ. Рисунок 73 – Составляющие поляризации в вертикальной плоскости 69 Рисунок 74 – Составляющие поляризации в горизонтальной плоскости Рисунок 75 – Кросс-поляризационная характеристика в вертикальной плоскости 70 Рисунок 76 – Кросс-поляризационная характеристика в горизонтальной плоскости На рисунке 77 приведена частотная зависимость активной и реактивной составляющей входного сопротивления антенны. Рисунок 77 – Частотная зависимость активной и реактивной составляющей входного сопротивления На рисунке 78 приведена частотная зависимость коэффициента стоячей волны. 71 Рисунок 78 – Частотная зависимость КСВ. При разработке действующего макета для натурных испытаний произведён анализ подходов для максимального упрощения технологий изготовления прикладных образцов, доступности и дешевизны используемых материалов в целях возможного массового тиражирования предлагаемого интеллектуального продукта. По модели в программе HFSS 14 изготовлен опытный образец этажерочной антенны круговой поляризации, который сделан из двух пластин стеклотекстолита с вытравленными на нём медными дорожками (рисунок 79). Пластины имеют технологические пазы для соединения пластин друг с другом. За счёт плотного механического соединения пластины надёжно фиксируются, сохраняя свое ортогональное расположение. Дополнительная фиксация пластин реализуется за счёт пайки соединения пластин с коаксиальным кабелем, проходящим внутри конструкции примерно на треть длины, за счёт пайки дуговых участков антенны и замыкания на верхушке антенны квазишунтовых проводников друг с другом. 72 Рисунок 79 – Фотография пластин-заготовок с вытравленными и залуженными дорожками. Применяемый коаксиальный кабель RG402, обладающий сплошной жилой, фторопластовым диэлектриком и броневой посеребрёной медной оплёткой, что делает кабель жёстким и способным выдержать вес антенны не прогибаясь. Кроме этого кабель обладает хорошими частотными характеристиками: максимальной рабочей частотой 30 ГГц и кабель на резонансной частоте антенны вносит затухание 70 дБ на 100 метров, что при используемой длине кабеля в 10 см несущественно. На рисунке 80 показан опытный образец антенны этажерочный «клевер» в полностью собранном состоянии. 73 Рисунок 80 – Фотография опытного образца антенны этажерочный «клевер» в сборе. С использованием данного опытного образца, квазишунтового «клевера» и антенн линейной поляризации с рабочим диапазоном 2.4 ГГц был проведён эксперимент, направленный на сравнение работы указанных антенн, а также на исследование работы антенн различного типа поляризаций. Исследование работы радиомодулей производились в усложнённых условиях относительно нормальной работы гаджетов в этом диапазоне и при дальности более 30 метров. В качестве передающей станции использовался радиомодуль на микросхеме NRF24L01, передача велась на частоте 2445 МГц. В качестве приёмного устройства применялся программируемый приёмопередатчик HackRF One в связке с программным обеспечением SDRSharp установленным на ноутбуке. Приёмная часть экспериментального стенда показана на рисунке 81. 74 Рисунок 81 – Фотография экспериментального стенда. Результаты экспериментального исследования работы сведены в таблицу 1. Таблица 1 – Сводная таблица с результатами эксперимента Антенна на передающей стороне, тип поляризации Антенна на приёмной стороне, тип поляризации Этажерочная антенна, круговая поляризация Штыревая антенна, Квазишунтовой «клевер», горизонтальная круговая поляризация поляризация Антенна линейной поляризации, горизонтальная поляризация Этажерочная антенна, круговая поляризация Квазишунтовой «клевер», Антенна линейной поляризации, круговая поляризация горизонтальная поляризация Антенна линейной поляризации, вертикальная поляризация, Уровень сигнала Из результатов эксперимента можно сделать два основных вывода: 75 -19 дБ -24 дБ -25 дБ -15 дБ -30 дБ -20 дБ - изготовленный опытный образец этажерочной антенны круговой по- ляризации имеет наилучшие показатели работы на частоте 2445 МГц по сравнению с рассмотренными аналогами, которые также рассчитаны на работу на данной частоте; - были доказаны классические положения теории относительно сов- местной работы антенн линейной и круговой поляризации. При использовании штыревой антенны и этажерочной антенны принимаемый сигнал оказался на 4 дБ слабее, чем при использовании квазишунтового «клевера» и этажерочной антенны, у которых правовинтовая круговая поляризация. 7.6 Версии ажурных конструкций Для наглядности между разнесёнными «клеверами» создан пространственный зазор. В свою очередь, для упрощения реализации и упрочения конструкции в этом пространстве возможно продолжение несущих пластин с соединением в общую деталь верхних и нижних частей конструкций плеч «клеверов». Не только кажущаяся, но и объективно недостаточно механически устойчивая скелетная конструкция отправных этажерочных «клеверов» напрашивается на большую жёсткость как антенного устройства повышенной надёжности для мобильных средств, так как такая антенная система вероятна и для применения на подвижном составе железных дорог. Со временем, не исключается, такое может произойти, когда усложнённая электромагнитная обстановка в условиях насыщенных переплетениями контактных сетей железнодорожные узлы будут вынуждены обратиться к всепроникающей круговой поляризации, а предлагаемые разработки изотропных клеверных антенн круговой поляризации, выводят их к основным параметрам тех же широко используемых, но менее помехозащищённых антенн с линейной поляризацией. Они разрешат проблемы в средствах связи паразитного приёма переотражённых сигналов и увеличат дальность в сильно пересечённой проводниками среде. 76 С учётом подобия соединения центральных нулевых точек при создании пар «клеверов», не исключается возможность соединения наружных точек нулевого потенциала дуг, составных клеверных антенн между собой с учётом стороны вращения, вектора поляризации излучаемой электромагнитной волны. Компьютерное моделирование подтвердило теоретические предпосылки. Не безынтересно, что при таком соединении получена идеальная круговая поляризация во всём раскрыве диаграммы направленности антенны при встречном расположении «клеверов» (рисунок 82,б) а) б) Рисунок 82 – Встречнонаправленный этажерочный «клевер» с соединительными проводниками: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры. Полученная «шуховская» ажурная конструкция для повышения механической надёжности, с учётом эквипотенциальных точек на новых соединениях, предопределяет и возможность их соединения между собой и с несущей осью антенны. Кроме того не исключаются и такие соединения и при разнонаправленном размещении, но в данной версии при соединении центральных точек дуг также обязательно учитывать стороны вращения векторов излучаемых электромагнитных волн, но конструкция более технологична, хотя поляризация носит 77 более эллиптичный характер, относительно предыдущей версии. В свою очередь, для горизонтальной составляющее вектора поляризации, это компенсируется повышенным коэффициентом усиления (рисунок 83,б). а) б) Рисунок 83 – Разнонаправленный этажерочный «клевер» с соединительными проводниками: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры. Из результатов компьютерного моделирования этажерочных «клевер» с соединительными проводниками в итоге видно, что замыкание верхних и нижних элементов антенны вертикальными, а из середин горизонтальными перемычками не приводит ни к заметному ухудшению электрических характеристик антенны, ни к существенному повышению уровня эллиптичности поляриационной характеристики. Учитывая большее количество отличительных признаков от аналогов, значимые результаты моделирования с дублированием в различных программах, а также выборочную проверку электрических параметров, данная разработка была заявлена в качестве изобретения. Пройдя проверку по существу, заявленный интеллектуальный продукт ФИПСом признан изобретением с выдачей соответствующего патента № 2659854С1 [26]. 78 8. Трансформатор поляризаций Помимо фазированных антенных решёток с питанием каждого элемента отдельной сигнальной линией, широко известны антенн поверхностной волны с пассивными элементами – переизлучателями. Переизлучатели изменяют свойства антенны относительно прототипа и не требуют подведения множества питающих линий к антенне, что упрощает производство антенны, её согласование и установку. Самым известным типом антенны с переизлучателями является антенна Уда-Яги с её отечественной модификацией антенной «волновой канал» [3, с. 413]. В ней применяются переизлучатели в виде симметричных вибраторов, расположением которых в одной плоскости с активным излучающим вибратором добиваются значительного увеличения коэффициента усиления. Позднее были опубликованы материалы [6, 27] в которых фазированная антенная решётка Линденблада выполняет функцию переизлучателей по аналогии с рефлектором и директором в антенне «волновой канал». Однако изменение свойства аналога происходит не с коэффициентом усиления, а с преобразованием поляризации из вертикальной в круговую. Эта антенна называется Parasitic Lindenblad antenna (антенна Линденблада с переизлучателями, перев. автора) и состоит из активного дипольного излучателя и окружающей его фазированной антенной решетки круговой поляризации с круговым излучением – классической антенне Линденблада без подводимых сигнальных линий. На практике активный дипольный излучатель является несимметричным с плечом больше половины длины волны, к примеру J-образная антенна и антенна длиной 5/8λ (рис. 84). Длина плеча больше λ/2 приводит к образованию узла напряжения и вокруг этой точки параллельно горизонту возможно расположить дипольные элементы ФАР круговой поляризации так, чтобы они возбуждались аналогично классической антенне Линденблада (рис. 85). 79 Рисунок 84 – Эпюр распределения напряжения в J-антенне и антенне 5/8λ. Рисунок 85 – Эскиз антенны Линденблада с пассивными переизлучателями. 80 Излучение в дальней зоне обеспечивается суперпозицией переотражённых элетромагнитных волн, которые наведены от активного вибратора на пассивные элементы. Таким образом формирование поля в дальней зоне осуществляется тем же самым образом, что в классической антенне Линденблада разница заключается в подаче сигнала на дипольные элементы ФАР – в классике это фидерные коаксиальные или двухпроводные линии, в модификации с переизлучателями это наведенные токи. Устройство такого принципа действия, если рассматривать его в функциональном ключе, преобразует излучение с вертикальной поляризацией в излучение с круговой поляризацией, т.е. эта антенна является трансформатором поляризаций. Сама конструкция антенны подразумевает, что ФАР круговой поляризации представляет из себя насадку на штыревую антенну, что придает этой антенне интересное применение. На рис. 86 представлена фотография прототипа антенны Линденблада с переизлучателями опубликованная в [27] Рисунок 86 – Антенна Линденблада с переизлучателями. 81 Известны пассивные антенные насадки для антенн беспроводной сети WiFi, предназначенные для усиления сигнала дипольной антенны [рэмо, патент]. Надев на штыревую антенну такую насадку, антенна становится направленной антенной типа «волновой канал» со значительным увеличением коэффициента усиления. На кафедре РЭСиТРО совместно с Саратовским электромеханическим заводом «РЭМО» была исследована возможность совмещения антенны Линденблада с переизлучателя и концепции антенн-насадок с созданием антенного адаптера трансформатора поляризации. В качестве инновационного элемента была рассмотрена «клеверная антенна» вместо ФАР Линденблада в качестве пассивных переизлучателей. В моделировании примитива основой является полуволновой диполь, на который подаётся питание в средней точке. Этот диполь моделирует плечо несимметричного вибратора с длиной плеча более λ/4. На нём располагается антенный адаптер, выполненный из двух разнонаправленных «клеверов» четвертьволновые участки которых соединяются не с клеммами питания, а переходят в вертикальное основание. Причём очень важно расположение адаптера на антенне, т.к. малейшее отклонение зазора адаптера от точки питания может исказить его диаграмму направленности. Стоит отметить, что конструкция адаптера схожа с ранее вышеописанной антенной разнонаправленный этажерочный «клевер», но в этом случае расстояние между двумя базовыми элементами практически отсутствует и как было указано раннее расстояние между элементами значительно меньшее чем λ/2, применительно к антенне этажерочный «клевер», позволяет сохранить работоспособность данной антенны. Два «клевера» необходимы для создания симметричной дипольной конструкции антенны, которая имеется у антенны «Линденблада», поскольку ФАР круговой поляризации «подвешена» в воздухе и не имеет электрического соединения с «землёй», требуемой для работоспособности несимметричных вибраторов. Также удвоение «клеверов» компенсирует возникшую от вертикального основания вертикальную составляющую поляризации. 82 а) б) Рис. 86. «Клеверный» антенный адаптер: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры Питание адаптера обеспечивается от наведения электромагнитного излучения полуволнового диполя на вертикальные основания адаптера. Создаётся разность потенциалов в точках соединения четвертьволновых проводников и вертикальных элементах адаптера, т.е. вертикальные элементы адаптера по сути являются источником питания «клеверов». Важным отличием предлагаемой разработки является то, что вертикальные элементы не дают распространятся линейно-поляризованному излучению за пределы цилиндра, образуя экран. Исходя из выше описанного создаются все условия для того чтобы адаптер работал как разнонаправленный этажерочный «клевер». Как видно из результатов компьютерного моделирования (рис. 87, б) данное техническое решение может использоваться как для фидерного оборудования с волновым сопротивлением 75 Ом, так и с 50 Ом (в этом случае КСВ = 1.9) и с коэффициентом усиления выше чем у классического «клевера». В практическом ключе целесообразно сравнить работу клеверного адаптера и антенны Линденблада с переизлучателями совместно с J-антенной и антенной 5/8λ, т.к. в такой связке перечисленные излучатели будут применяться в натуре. 83 На рис. 88 и 89 представлены виды моделей и результаты моделирования антенны Линденблада с переизлучателями и клеверного антенного адаптера c Jантенной. Моделирование проводилось с «реальной землёй» на высоте 0 м в параметрах моделирования MMANA-GAL. На диаграммах направленности явно видны искажения, вызванные четвертьволновой линией J-антенны и горизонтальная составляющая приобретает слабонаправленный характер с меньшим уровнем относительно вертикальной. При этом вертикальная составляющая имеет практически круговую изотропную диаграмму направленности. а) б) Рис. 88. Решётка Линденблада с J-антенной: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры а) б) Рис. 89. «Клеверный» антенный адаптер с J-антенной: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры 84 Преимущество клеверного антенного адаптера перед ФАР Линденблада с переизлучателями явно прослеживается в диаграмме направленности в горизонтальной плоскости, где максимум горизонтальной составляющей совпадает с уровнем вертикальной составляющей и это означает, что в том направлении создаётся режим круговой поляризации, в отличие от явно эллиптической в антенне Линденблада (Кэ = -3 дБ). Такой же эффект наблюдается и для несимметричного вибратора с длиной 5/8λ, изображенного на рис. 90 и 91. В антенне 5/8λ нет согласующих линий, приводящие к искажению диаграммы направленности, поэтому в обоих случаях в горизонтальной плоскости излучение изотропно. Здесь же снова выделяется преимущество клеверного антенного адаптера – коэффициент эллиптичности антенны Линденблада не превышает Кэ = -3.5 дБ, напротив у «клевера» практически идеальная круговая поляризация по всем направления в горизонтальной плоскости. Рис. 90. Решётка Линденблада с антенной 5/8λ: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры 85 Рис. 91. «Клеверный» антенный адаптер с с антенной 5/8λ: а) – геометрия; б) – диаграмма направленности и параметры Представленный антенный клеверный адаптер позволяет «трансформировать» вибратор с линейной поляризацией в излучатель электромагнитных волн круговой поляризации и конкурентен антенне Линденблада с переизлучателями. Адаптер реализуется на основе принципа, заложенного в антенну «клевер» и инновационного подхода, придающего исключительность антенному адаптеру: применение сдвоенной «клеверной» ФАР круговой поляризации, переходящей в вертикальное основание. Такая конструкция даёт возможность адаптировать тот или иной технический объект использующий радиосистему с антенной линейной поляризации для максимально эффективного функционирования с радиосистемами, использующими антенны круговой поляризации. «Клеверный» антенный адаптер по показателям поляризационных искажений превосходит свой аналог, приближая излучение к практически с идеальной круговой поляризацией, сохраняя остальные показатели близкими к антенне Линденблада. Наличие гальванической развязки исходного вибратора с линейной поляризацией и адаптера с круговой поляризацией позволяет, не нарушая целостность изначального состояния антенно-фидерного тракта в полной мере использовать описываемое техническое решение. Антенный адаптер запатентован как изобретение совместно с ООО «РЭМО» имеющей опыт в производстве антенных адаптеров для Wi-Fi антенн [28]. 86 Заключение В результате всестороннего исследования и процесса разработки направленного на создание перспективных изотропных антенных устройств, разработано научно-прикладное направление развития антенн круговой поляризации с подтверждением созданными, с применением компьютерного моделирования, образцами конкурентоспособных инновационных технических решений. В качестве отправного технического решения улучшены электрические и конструктивные характеристики, с доработкой классической клеверной антенны до более оптимального устройства и запатентовано в качестве полезной модели, как техническое решение квазишунтового «клевера», который имеет лучшие электрические характеристики относительно прототипа, а также большую конструктивную надёжность. На основе конструктивных принципов антенны «Квазишунтовой «клевер» разработан ряд инновационных технических решений для направления всенаправленных антенн круговой, служащих для расширения возможностей по согласованию и лучшей помехозащищенности. Разработанные антенны «Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами» и «Антенна круговой поляризации коаксиальный «клевер»» защищены патентами на полезную модель. Разработки «Антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» с резонаторным питанием» и «Всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом» на момент написания книги находятся в статусе экспертизы заявки по существу. Отдельно отмечаются решения для повышения коэффициента «клеверных» антенн с применением двух способов достижения результата: переизлучателями и фазированными антенными решетками. Интересным и несколько неожиданным получился результат с «Антенной круговой поляризации «клевер» с рамочными переизлучателями» связанный с необычной формой переизлучате- 87 лей, которые наиболее оптимально работаю с излучением круговой поляризации. Применение принципа работы коллинеарных антенн к квазишунтовому «клеверу» для получения увеличенного коэффициента усиления, привело к разработке инновационное технического решение – «Этажерочная антенна круговой поляризации», также с нестандартным подходом и интересными с точки зрения исследований результатами. На указанные разработки выданы патенты на изобретения. Рассмотрение разработки антенны круговой поляризации с переизлучателями, впервые упомянутой ещё в 1940-х годах нашло иное воплощение в виде «Антенного адаптера – диполя круговой поляризации». Это зарегистрированное изобретение, которое основано на конкурентном к антенне Линденблада «клеверу» имеет лучшие поляризационные характеристики относительно прототипа и конструкцию, которая интересна с точки зрения исследования на перспективу. Теоретические предпосылки доказательно проверены с использованием компьютерного моделирования в прикладных программах MMANA-GAL и HFSS. Полученные в ходе моделирования экземпляры антенн с параметрами удовлетворяющими параметрами для физической реализации доведены до опытных образцов в приближениях к прикладному использованию на промышленном уровне. Испытание опытных образцов на экспериментальном стенде подтвердило адекватность компьютерных моделей, работоспособность изготовленных антенн и доказало основные теоретические положения о работе антенн круговой поляризации совместно с антеннами линейной поляризации. 88 Список использованной литературы 1. Джексон Дж. Классическая электродинамика. Перевод с англ. Г. В. Воскресенского и Л. С. Соловьева. Под редакцией Э. Л. Бурштейна. – М.: "Мир", 1965. – 228 с. 2. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007 – 134-136 с. 3. Беньковкий З., Липинский Э. Любительские антенны коротких и ультракоротких волн: Пер. с польск./Под ред. О.П. Фролова – М.: Радио и связь, 1983. – 409-413 с. 4. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA. – М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио». 2002 – 10 с. 5. Brown G., Woodward, Jr. O. Circulary-Polarized Omnidirectional Antenna // RCA Review. Vol. VIII. № 2. P. 259 – 269. 6. Monteiro A. A. Parasitic Lindenblad Antenna for 70cm – USA: Amsat, 2006. – P. 3-5. 7. Mellen R., Milner C. The Big Wheel on Two // ARRL QST 1961. Vol. XLV. № 9. P. 42-47. 8. Ротхаммель К. Антенны т.2: Пер. с нем – 11-е изд., доп. и испр. – М: ДМКПресс, 2016. – 122-123 с. 9. Mellen R., Milner C. The Skew-Planar Wheel Antenna // ARRL QST 1963. Vol. XLVII. № 11. P. 11-13. 10.Aomway 5.8GHz FPV антенны [Электронный ресурс] URL: https://microhobby.ru/aomway-58ghz-fpv-4-leaf-clover-av-transmission-rhcp-antenna-1pair (дата обращения 18.06.2019). 11.Банков С.Е., Крушин А.А. Проектирование СВЧ учтройств и антенн с Ansoft HFSS – М: Москва, 2009. – 2-6 с. 89 12.Милкин В.И., Калитёнков Н.В., Шульженко А.Е., Лебедев В.Н., Быченков П.А. Антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» // Патент России № 166256U1. 2016 Бюл. № 32 13.Милкин В.И., Полежаев В.С., Шульженко А.Е., Анисимова К.А., Собянина В.Р. «Клеверная» антенна круговой поляризации с емкостными квазишунтами // Патент России № 188892U1. 2019 Бюл. № 13 14.Милкин В.И., Полежаев В.С., Шульженко А.Е., Щепина Е.А., Ющенко И.С. Антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» с резонаторным питанием // Заявка на полезную модель № 2019111617 от 16.04.2019 г. 15.Милкин В.И., Соловьев А.С., Полежаев В.С., Татусяк М.С., Шубина Е.Г. Антенна круговой поляризации коаксиальный «клевер» // Патент России № 187840U1. 2019 Бюл. № 8. 16.Коробейников Г.В., Конюк Д.Д. Всенаправленная кольцевая антенна // Патент России № 2482579С1. 2013 Бюл. №14. 17.Милкин В.И., Григорьев В.Ф., Миличенко А.Н., Полежаев В.С., Щепина Е.А. Всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом // Заявка на изобретение № 2019109776 от 02.04.2019 г. 18.Ротхаммель К. Антенны т.1: Пер. с нем – 11-е изд., доп. и испр. – М: ДМКПресс, 2016. – 274-275 с. 19.Милкин В.И., Калитенков Н.В., Шубина Е.Г. Наука – производству: мат. междунар. науч.-практ. конф.,Мурманск, 14-19 апреля 2017 г. / Федер. гос. бюджетное образоват. учреждение высш. образования «Мурм. гос. техн. унт». – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2017. - 139 с. 20.Милкин В.И., Калитенков Н.В., Татусяк М.С. Наука – производству: мат. междунар. науч.-практ. конф.,Мурманск, 14-19 апреля 2017 г. / Федер. гос. бюджетное образоват. учреждение высш. образования «Мурм. гос. техн. унт». – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2017. - 147 с. 90 21.Татусяк М.С., Шубина Е.Г., Милкин В.И. Сборник материалов регионального молодежного форума «Молодая наука Арктики» / Министерство образования и науки РФ, Совет молодых ученых Мурманской области, ФГБОУ ВО «Мурман. гос. техн. ун-т». – Мурманск: Изд-во МГТУ, 2017. – 33-38 с. 22. Беличенко, В. П., Запасной А. С. Ближнеполевая электродинамика комбинированных антенн. – Известия высших учебных заведений, 2012, Т. 55, № 8/2, Физика. 23. Милкин В.И., Татусяк М.С., Шубина Е.Г., Шульженко А.Е., Калитёнков Н.В. Антенна круговой поляризации «клевер» с рамочными переизлучателями // Патент России № 171817U1. 2017 Бюл. № 17. 24. Ротхаммель К. Антенны т.2: Пер. с нем – 11-е изд., доп. и испр. – М: ДМКПресс, 2016. – 107-108 с. 25. Ротхаммель К. Антенны т.2 – с.147-148. 26. Милкин В.И, Калитёнков Н.В., Шульженко А.Е., Полежаев В.С. Этажерочная антенна круговой поляризации // Патент России № 2659854С1. 2018. Бюл. №19/ 27. C.E. Lesanu, A. Done. Parasitic Circular Polarized Vertical Antennas / 13th International Conference on DEVELOPMENT AND APPLICATION SYSTEMS, Suceava, Romania, May 19-21, 2016 – p. 143-149. 28. Волошин А.И., Солдаткин А.С., Милкин В.И., Калитёнков Н.В., Лебедев В.Н., Шульженко А.Е., Антенный адаптер – диполь круговой поляризации // Патент России № 2684433С2. 2019 Бюл. № 10. 91
