Антенна с режекторной ДН в горизонтальной плоскости Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Антенна с режекторной ДН в горизонтальной плоскости

Пыхова МА., ГРЧЦ

max( Uj mix)> пРи 0 £ A0

(1)

— максимизация разности между минимальным значением сигнала вне сектора подавления и максимальным значением в секторе

\Fj = min( U0 max)’ nPU 0 e A0

IF2 = max( Ui mix), при 0 A0 ’

(2)

max {F2 - Fj}.

В связи с наличием сложной электромагнитной обстановки в диапазоне 2,025-2,5 ГГи, возникает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. Для работы фиксированной системы связи беспроводного широкополосного доступа требуется широкий сектор обслуживания (реализация соединения точка-многоточка). Поэтому, исходя из реальной электромагнитной обстановки, зона работы БС отличается от желаемой наличием секторов, где излучение либо полностью отсутствует, либо подавляется.

Основной критерий подавления излучения от мешающих РЭС — это снижение на 10-30 дБ либо отсутствие излучения в требуемом секторе углов 5-15 град.

Для обеспечения подавления либо снижения излучения в требуемом секторе углов будем использовать режекторную ДН. Режек-торная ДН представляет собой ДН в горизонтальной плоскости всенаправленной антенны с наличием сектора, где значения ДН принимают меньшие либо нулевые (рис. 1).

Реальная режекторная ДН, в отличие от идеальной, не имеет скачкообразного изменения и не принимает постоянных значений ДН в секторе и вне сектора. Чтобы приблизить реальную режекторную ДН к идеальной, воспользуемся критерием о двойном максими-не и крутизне ДН.

Критерий о двойном максимине

— максимизация минимального значения вне сектора подавления

Крутизна режекторной ДН — отношение разностей максимального значения в секторе и минимального значения вне сектора к образующемуся углу между этими значениями. Для получения ДН, близкой к идеальной, необходимо получить максимальное значение крутизны.

На практике требуемая форма ДН задается в виде графика либо в виде функции, не удовлетворяющей в общем случае условиям существования точного решения. Поэтому задача синтеза превращается в задачу аппроксимации.

Для решения задачи построения антенны режекторной ДН используется антенна с режекторной ДН проходного типа. Для получения ДН требуется установить электромагнитный экран на некотором расстоянии от антенны с таким расчетом, чтобы экран перехватывал энергию, излучаемую в заданном секторе углов. Приниип действия такого экрана состоит в компенсации поля от кромки экрана полем, проникшим сквозь щель [1].

Для численного решения задачи о влиянии экрана на излучение электрического вибратора воспользуемся методом численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях прямоугольной формы [9]. В основе метода лежит алгоритмизация интегрально-дифференциальных операторов, что является основной трудностью при решении задач дифракции.

Для решения задачи дифракции монохроматического электромагнитного поля на незамкнутой поверхности произвольной формы введем систему криволинейных координат q, 1, V так, чтобы Б совпадала с частью координатной поверхности q = qo (рис. 2).

Тогда связь декартовых координат с криволинейными определяется формулами:

x = x(q, t, и), y = y(q, t, u), z = z(q, t, u) .

(4)

Плотность полного тока, наведенного на поверхность Б (т. е. сумма плотностей тока, наведенного на обеих сторонах), является ис-

точником вторичного электромагнитного поля Е и Н

|(1, и) = 1°| 1(1, и) + V0] ?(1, и). (5)

Используя формулы, связывающие электродинамические потенциалы А и ¥ и Е, Н, получим интегрально-дифференциальные уравнения:

Ііт

M ^S

Ііт

M ^S

Л (у, | К, + V К K Т) dт СІУ

. 5 ,

[[(у к к; + к к к;)Чт ч

= Е 0

(6)

ку =-

4 є

1 Э Эв .2/ о о\ і т т~р у +к(р,у ) 1у

1Р=

УІ(*р )2 + (у р )2 + ( р )2, у=т, V,

(7)

р = Ч V.

Система уравнений справедлива при произвольном первичном поле. Система интегрально-дифференциальных уравнений решается численно путем разложения этих уравнений по базисным функциям с неизвестными коэффициентами J Т], J и^. Для этого поверхность Б разбивается п( (отрезок [^ к]) и nv (отрезок [ин, ик]) элементов ДБ], а коэффициенты находятся методом коллокации.

•Ч “V

£ £ 4 Т™(М) + 3 и Т™( М) = Е

Ч=1 у=1

Щ Пи

£ £ зу т,(М) + з* т;\М) = е

0 I

и М Я

(8)

°1

Ч Ме Я

I=1 у=1

тур =—^~ 1іт х у 4 * к 1і“?

х

1 Г Э Эв

Эр Эу

./ У

а, (V + к2 [ [ (р0, у0) ув ат

ґ иу-1 Ьу-1

р = Ч,и, у =т;

(9)

Помещая точку наблюдения М в середину каждого из элементов ДБ||, из (8) определяются J J и . А с помощью основных уравнений электродинамики находим характеристики электрического поля.

Для иллюстрации метода рассмотрим 2 задачи подавления поля излучения электрического вибратора (с размером плеча ^/4) с помощью прямоугольного экрана с щелевым отверстием (рис. 3) и кольцевого экрана (рис. 4).

Методом аппроксимаций были найдены оптимальные размеры обоих видов экранов для получения режекторной ДН на частоте 2,4 ГГц.

Прямоугольный экран с щелевым отверстием.

Расстояние от экрана до отверстия составляет ^/4. Экран имеет форму квадрата размером 0,3 х 0,3 м, в котором на расстоянии 0,54 X от центра экрана прорезано отверстие 0,56 X х 0,08 X.

Учитывая описанные выше критерии, оценим полученную ДН (рис. 5). Ширина сектора подавления на минус 18 дБ составляет 18 градусов, на минус 20 дБ составляет 15 градусов, на минус 25 дБ составляет 8 градусов, а на минус 30 дБ — 4,5 градуса. С данным типом экрана сигнал подавляется более чем на 30 дБ. Минимальное значение сигнала вне сектора подавления ит!п= -13 дБ, а разность между минимальным значением сигнала вне сектора подавления и максимальным значением в секторе составляет 30 дБ. Крутизна ДН составляет 3 дБ/град.

Кольцевой экран

Размер экрана определяется внутренним I?' = 1,24 X и внешним I? = 1,7 X размером кольца и расстоянием до экрана 4,4 X.

Исходя из полученной ДН (рис. 6), оценим ее аналогично щелевому экрану. Ширина сектора подавления на минус 18 дБ составляет 13 градусов. С данным типом экрана сигнал подавляется на 18,5 дБ. Минимальное значение сигнала вне сектора подавления 1Ып= -6 дБ, а разность между минимальным значением сигнала вне сектора подавления и максимальным значением в секторе составляет 12,5 дБ. Крутизна ДН составляет 1,5 дБ/град.

Исследуем влияние частоты на ДН, полученную для кольцевого экрана. ДН получены для диапазона работы беспроводного доступа, используя критерии, описанные выше. Из графика зависимости между минимальным значением сигнала вне сектора подавления и максимальным значением в секторе от частоты (рис. 7), а также полученных диаграмм видно, что крутизна и угол подавления режек-торной ДН не изменились в отличие от уровней 1Ып и Штах Наиболее благоприятный диапазон частот с точки зрения удовлетворения критерию подавления является диапазон 2,3-2,5 ГГц. В данном диапазоне значения основных параметров режекторной ДН практически неизменны.

Рис. 5. Прямоугольный экран с щелевым отверстием. Зависимость подавления излучения от угла с различным смещением отверстия относительно центра экрана

Выводы

Для реализации режекторной ДН были получены два типа экранов: прямоугольный экран с щелевым отверстием и кольцевой экран. Прямоугольный экран с отверстием подавляет излучение на 30 дБ и обладает более высоким значением крутизны ДН в отличие от кольцевого экрана, но имеет более низкое значение 1Ып (сигнал значительно подавляется и вне сектора подавления). Для устранения этого недостатка применялся кольцевой экран. Кольцевой экран подавляет излучение на 13 дБ и без изменения основных параметров ре-жекторной ДН работает в диапазоне 2,3-2,5 ГГц.

Рис. 7. Зависимость разности минимума сигнала вне сектора и максимумом в секторе от частоты

Рис. 6. Радионепрозрачный кольцевой экран. Наилучшая режекторная ДН

Литература

1. Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. — М.: Радио и связь, 1983. — 272 с.

2. Зелкин Е. Г., Соколов В. Г. Методы синтеза антенн: Фазированные антенные решетки и антенны с непрерывным раскрывом. — М.: Сов. Радио, 1980 — 296 с.: ил.

3. Ерохин ТА, Чернышев О.В и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. — М.: Радио и связь, 1996. — 352 с.

4. Кочержевский Г. Н., Ерохин Г. А, Козырев НД Антенно-фидерные устройства. — М.: Радио и связь, 1989. — 352 с.: ил.

5. Ильинский АС, Смирнов Ю.Г. Дифракция электромагнитных волн на проводящих тонких экранах. — М.: Радиотехника, 1996. — 166 с.

6. Бахрах Л. Д., Кременецкий С. Д Синтез излучающих систем (теория и методы расчета). — М.: Сов. Радио, 1974. — 232 с.

7. Мельников Ю. М., Петрова В.Г, Мошков ВА Шелевой экран для подавления поля в широком секторе углов заданной плоскости//Радиотехни-ка. — 1980. — № 2. — С. 45-52.

8. Бутиков Е.Н., Яцкевич ВА Антенные решетки для базовых станций сотовой радиосвязи //Научные труды региональной научно-методической конференции "Современная физика и техника в ВУЗе и школе". — Вологда: Русь, 2005. — С. 46-52.

9. Давыдов А.Г, Захаров Е.В, Пименов Ю.В. Метод численного решения задач дифракции электромагнитных волн на незамкнутых поверхностях произвольной формы//Доклады АН СССР! — 1984. — Т.276. — В.1. — С. 96-100.

10. Будагян И.Ф., Головченко Г.С, Дубровин В.Ф., Усатюк В.В. Принципы экранирования и экраны СВЧ: Учебное пособие. — М.: МИИРЭА, 1990.

— 80 с.

11. Кисель Н.Н. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных устройств. Конспект лекций. — Таганрог: ТРТУ 2002. — Ч. 1. — 74 с.