Исследование возможности использования биконической низкопрофильной антенны УВЧ-диапазона для систем подвижной радиосвязи

Ю.Б. Нечаев, доктор физико-математических наук, профессор,

ОАО «Концерн “Созвездие”»

Р.Н. Андреев,

кандидат технических наук, зав. кафедрой «Сети связи и системы коммутации» МИКТ

А.С. Мальцев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИКОНИЧЕСКОЙ НИЗКОПРОФИЛЬНОЙ АНТЕННЫ УВЧ-ДИАПАЗОНА ДЛЯ СИСТЕМ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

RESEARCH OF THE UVCH-RANGE LOW-SILHOETTE BIKONICAL ANTENNA FOR THE MOBILE RADIO COMMUNICATION SYSTEMS

USE POSSIBILITY

Рассмотрено использование биконической микрополосковой антенны в качестве излучателя для подвижных систем связи. Представлены аналитические выражения и результаты моделирования с учетом изменения различных параметров антенны.

The use of biconical microstrip antenna as a radiating element for mobile communication systems is considered. Mathematical equations and results of the numerical analysis taking into account variations of different antenna parameters are presented.

В современных условиях от антенно-фидерных устройств в значительной степени зависит устойчивость систем подвижной радиосвязи. Используемые в системах связи антенны не всегда в полной мере удовлетворяют предъявляемым эксплуатационным требованиям. Очевидно, что для мобильных систем связи разработка низкопрофильных излучателей, обладающих повышенной технико-эксплуатационной надежностью, управляемой диаграммой направленности (ДН) с возможностью пространственнополяризационной селекции полезных сигналов на фоне помех, является весьма актуальной проблемой.

Цель статьи — на основе математического анализа разработать модель биконического излучателя и провести его имитационное моделирование с целью получения основных характеристик для оценки возможности его использования в современных системах подвижной радиосвязи.

Решить проблему уменьшения габаритных характеристик антенных систем можно на основе проведенных в [1] исследований. В качестве одного из возможных вариантов излучателя для использования в антенных системах рассмотрим печатный

(микрополосковый) биконический излучатель, представленный на рис. 1.

Чтобы получить строгое решение задачи определения характеристик

биконического вибратора в дальней зоне, одним из известных способов находят распределение тока на его поверхности. Конкретнее, требуется найти распределение

поверхностного электрического тока I на плоском идеально проводящем

биконическом вибраторе, возбуждаемом в центре (точка 1 на рис.1) сторонним поверхностным магнитным током Iт .

Рис. 1

Ток I находится из интегро-дифференциального уравнения

где Б — поверхность вибратора, Е 0 — электрическое поле стороннего источника;

Е — электрическое поле, создаваемое током I .

1

Е =

і (О£о)£

graddivA + іа>т0№А,

- - 1 г -кЯ - -Г ,

А( г) = 7ТI ^1 (г^*

Я

г - г

4рі Я

2р

к = ¿Уд/ ад, ' V£Ц = , А — векторный потенциал;

1

1 —длина волны.

Выражение (2) можно записать в виде Е = - gradФ + ію/и0тА

Ф

і _ ікЯ _

ее I т г( r')dS'.

4ре0е І Я

где Ф — скалярный электрический потенциал создаваемый зарядами р в выбранной фиксированной точке г ; р =----й\у1 — поверхностная плотность электрического заряда.

Ю

Задача решается численным методом, предложенным в [2], в котором поверхность вибратора и область возбуждения разбиваются на квадраты размером Д а базисные (^) и пробные (х ) функции задаются на этих элементах поверхности.

Неизвестный ток представляется в виде разложения по набору базисных функ-

ций

к

где Пк ,¥к — неизвестные комплексные коэффициенты, определяемые из системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), к которой сводятся интегральные уравнения электрического поля.

По найденному распределению токов на излучающей поверхности определяется поле излучения в дальней зоне:

Eq = -

Je

- Jkri¡

[p\(Ix cosacosp + Iy cos^sin p-Iz sin q)ejkr msadS-

i 0

IMx sin p-1М cos p) elk “*adS];

1 My

Ep =

Je

-jK

[ri (Ix sin p- Iy cosP)e

jkr cos a

dS + i (I

S

Mx

cos6cosp +

+ IMy cos q sin p- IMz sin q)e

jkr’ cosa

dS ]

где p

(для воздуха p = p0

=120p); dS=dx dy ; a — угол между направ-

лениями r0 и r ; r cosa = x cosp sinq+y sinp sinq; Ix, Iy, Iz — составляющие плотностей поверхностных электрических токов по соответствующим осям x, y, z; IMx, IMy, IMz — соответствующие составляющие плотностей поверхностных магнитных токов.

Основываясь на полученной модели биконического полоскового излучателя было осуществлено его имитационное моделирование, исходными данными которого явились: предполагаемая центральная частота рабочего диапазона частот — 1 ГГц, минимально допустимый коэффициент усиления - 6 дБ (для возможности использования системы связи в городских условиях [3 ]).

На основе классического подхода к расчету микрополосковых излучателей [4] размер а антенны (рис. 1) составил 18 см, размер b — 8 см для fp=1 ГГц.

В качестве материала подложки был использован материал RT Duroid 5870, имеющий 8 = 2,5 и tg 5 = 0,0001.

Первый этап исследования заключался в определении полосы пропускания биконического излучателя, в пределах которой сохраняется приемлемый КСВ. Результаты расчета приведены на рис. 2 (сплошная линия).

Рис. 2

Анализ представленного графика свидетельствует о том, что удовлетворительный диапазон частот работы антенны составляет от 0,97 до 1,03 ГГц, в абсолютном пересчете по отношению к центральной частоте это соответствует ширине рабочей полосы 6—7%.

S

S

S

Второй этап исследований был направлен на оценку влияния величины отражающего экрана и подложки на характеристики излучения биконической печатной антенны (размеры А и В на рис. 1).

Эксперимент 1.

Определяющим размером величины экрана является размер А, а размер В выбирается, в основном, по конструктивным соображениям. На частоте 1 ГГц длина волны А составляет 30 см. Приведем полученные численные и графические характеристики для различных размеров подложки и отражающего экрана в пересчете к отношению А/А.

1 случай: размеры Ах В = 20x10 см, т.е. А/А = 0,66.

КУ = 0,5 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 3.

2 случай: размеры Ах В = 40x20 см, т.е. А/А = 1,33.

КУ = 3,5 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 4.

3 случай: размеры Ах В = 60x30 см, т.е. А/А = 2.

КУ = 6,76 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 5.

4 случай: размеры Ах В = 100x50 см, т.е. А/А = 3,3 (что можно в теоретическом рассмотрении считать бесконечностью).

КУ = 8,2 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 6.

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 6

Вывод: увеличение размеров проводящего экрана и подложки приводит к улучшению энергетических характеристик рассматриваемого излучателя. Объяснение этого заключается в том, что с увеличением размеров экрана и подложки распределение тока по поверхности излучателя становится более равномерным, а также снижаются влияния на параметры излучения в свободное пространство, излучения в поверхностные волны подложки. Для получения удовлетворительных энергетических показателей целесообразно ограничивать размеры подложки в пределах 1,5—2 А/А.

Эксперимент 2.

Для снижения воздействия влияния окружающей среды на излучатель предложено разместить над излучающей поверхностью защитный слой из диэлектрического материала.

При исследовании наличия дополнительного слоя диэлектрика были проанализированы результаты для случаев использования материалов пробкового типа с є = 1,05—1,1 и уже упомянутого материала RT Duroid 5870.

Для размеров антенны, соответствующих случаю 3, влияние пробковых материалов оказалось весьма незначительным на основные характеристики антенны, что свидетельствует о целесообразности их использования при конструировании печатных излучателей.

Результаты для RT Duroid 5870 представлены на рис. 7.

Рис. 7

В этом случае был получен КУ = 2,3 дБ. Таким образом, становится целесообразным использование биконического печатного излучателя с дополнительным диэлектрическим слоем в качестве приемной антенны, т.к. он способен обеспечивать прием и обработку сигналов с четырех различных направлений прихода сигнала, что является весьма актуальным в городских условиях распространения радиоволн.

Эксперимент 3.

Для расширения диапазона рабочих частот было предложено разместить бико-нический излучатель на некоторой высоте И относительно подложки. В качестве экспериментальной модели использован случай 3 из эксперимента 1.

1 случай: размеры Ах В = 60x30 см, т.е. А/Х = 2, Ь = 0.5 см.

КУ = 6,54 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 8.

2 случай: размеры Ах В = 60x30 см, т.е. А/Х = 2, Ь = 2 см.

КУ = 5,2 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 9.

3 случай: размеры Ах В = 60x30 см, т.е. А/Х = 2, Ь = 5 см.

КУ = 3,52 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 10.

4 случай: размеры Ах В = 60x30 см, т.е. А/Х = 2, Ь = 10 см.

КУ = 3,14 дБ. Диаграммы направленности показаны на рис. 11.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

На основе анализа можно сделать вывод: с увеличением расстояния к излучателя над подложкой наблюдается, с одной стороны, ухудшение коэффициента усиления за счет расширения и увеличения уровня бокового излучения; с другой стороны — происходит расширение полосы рабочих частот антенны (КСВ < 1,2). Для случая 1 график КСВ имеет вид, показанный на рис. 2 (пунктирная линия). Видно, что удовлетворительный диапазон частот работы антенны составляет от 0,95 до 1,05 ГГц, что в абсолютном пересчете по отношению к центральной частоте соответствует ширине рабочей полосы порядка 12-13 %. Высоту подвеса к можно рекомендовать из условия: к = (1/30 ^ 1/60)Ар.

Таким образом, результаты имитационного моделирования и аналитические расчеты позволяют сформулировать основные выводы проведенного исследования:

1) биконическую микрополосковую антенну целесообразно использовать в качестве одного из вариантов для построения систем подвижной радиосвязи;

2) для получения приемлемых технических характеристик предлагаемой антенны (КУ не менее 6 дБ, частотный диапазон — 12—13% от fp, КСВ < 1,2) при ее проектировании целесообразно использовать предложенную методику.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев Р.Н Разработка и исследование низкопрофильных излучающих радиотехнических устройств УВЧ-диапазона и адаптивных антенных решеток на их основе: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Р.Н. Андреев. — Воронеж: ВИ МВД РФ, 2006. — 199 с.: ил.

2. Glisson A.W., Wilton DR. // IEEE Trans. 1980. V. AP-28. № 5. P. 593.

3. Ли У. Техника подвижных систем связи / У. Ли. — М.: Радио и связь, 1985. — 392с.

4. Электродинамический расчет характеристик излучения полосковых антенн / Б.А.Панченко [и др.]. — М.: Радио и связь, 2002. — 256 с.