CC BY
61
УДК 621.396.674.1
ИССЛЕДОВАНИЕ КОАКСИАЛЬНЫХ РАМОЧНЫХ АНТЕНН ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
В. П. Кисмерешкин1, А. В. Колесников1, П. А. Зайдов2, А. В. Васильева1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-205-209
Аннотация - В работе представлены электрически малые резонансные рамочные коаксиальные антенны. Рамки имеют повышенную эффективность и могут применяться в различных радиосистемах. Они особенно актуальны в диапазонах с относительно высокой длиной волны (100 метров и более). Приведены результаты лабораторных экспериментов, в которых проведено сравнение эффективности варианта рамочной коаксиальной антенны с традиционной резонансной рамкой. Обсуждена и экспериментально подтверждена возможность дальнейшего повышения ее эффективности.
Ключевые слова: рамочная коаксиальная антенна, действующая высота.
I. Введение
Повышение потребности в компактном радиооборудовании подвижных и стационарных станций приводит к необходимости поиска антенных устройств, сочетающих в себе два плохо сопоставимых свойства: малые размеры (доли от длины волны) и эффективность, достаточную для организации дальней радиолинии. В работах [1-3] достаточно полно рассмотрена указанная проблема, однако большинство из приведенных там антенн могут быть реализованы в диапазоне УКВ и выше. При этом достаточно остро стоит вопрос и в более низкочастотных диапазонах, где количество возможных вариантов малогабаритных антенн значительно меньше. В настоящее время возрос интерес к малогабаритным рамочным антеннам. Под малыми рамочными антеннами понимают антенны с радиусом a < Х/6л. Эти антенны находят всё большее применение в практике, однако, как правило, это плохие излучатели. Поэтому их применяют, в основном, в качестве приемных антенн в малогабаритных радиосредствах. Одна из основных задач перед разработчиками - поиск возможных вариантов повышения эффективности рамочных антенн [4].
При их проектировании и разработке требуются:
- поиск оптимальной схемы настройки и согласования (СНС), обеспечивающей перестройку в требуемом диапазоне частот;
- реализация реактивных элементов согласования с требуемым уровнем точности перестройки;
- выбор и реализация реактивных элементов с максимальной добротностью (минимальными потерями);
- решение вопросов конструктивного характера, включающих размеры и форму излучающего элемента (ИЭ), взаимное расположение ИЭ и блока с СНС.
В данной работе представлены рамочные коаксиальные антенны (РКА) - рамочные антенны с повышенной действующей высотой (эффективностью) в диапазон КВ, а также обсуждается методологический подход, позволяющий решить указанные выше вопросы.
II. Постановка задачи
Задачами работы являются сравнение по действующей высоте РКА и традиционно используемой резонансной рамочной антенны, а также представление оригинального метода повышения её эффективности.
III. Исследование рамочной коаксиальной антенны
Витки рамочной антенны представляют собой коаксиальную структуру, содержащую внутренний и внешний проводники, которые настраиваются конденсаторами, как показано на рис. 1(а) [5]. Таким образом, образуются два контура, связанных распределенной связью. Эквивалентная схема антенны в первом приближении может быть представлена, как изображено на фиг. 1(b), где в силу малых габаритов ИЭ контуры связаны по большей части электрическими компонентами, эквивалентом для которых служит конденсатор СП. Антенна может быть настроена в резонанс и согласована с трактом Z0 = 50 Q с коэффициентом стоячей волны VSWR < 1,1.
(а) (Ь)
Рис. 1. Рамочная коаксиальная антенна (а) и ее эквивалентная схема замещения в первом приближении (Ь)
Повышение эффективности малогабаритных рамочных антенн возможно путем выполнения нескольких условий:
- увеличение периметра и количества витков излучающего элемента;
- снижение тепловых потерь.
Первое и второе условия являются общими для всех рамочных антенн и справедливы для РКА.
В антенне по рис. 1 рамка представляет собой коаксиальный излучающий элемент, внутренний и внешний проводники которого настраиваются конденсаторами переменной емкости. Токоведущими поверхностями являются внутренний проводник, а также внутренняя и внешняя поверхности наружного проводника. При настройке, из-за взаимной связи между ними, происходит увеличение тока на оболочке коаксиального ИЭ.
А. Метод исследования в лабораторных условиях
Малые рамки на диапазоны СВ и КВ с радиусом а << Х/6л можно исследовать в лабораторных условиях в "кольцах Гельмгольца". Стенд для их исследования изображен на рис. 2. Действующая высота рамки с учетом известных соотношений [4, 6] определяется как
К
иоШ
иоШаНс
еМАХ =
ПННс Л(0,8)1,51Нс
(1)
где Пои/; - напряжение на выходе антенны, п = 120п О - характеристический импеданс свободного пространства, аНс, 1Нс, ННс - радиус, ток и напряженность магнитного поля "колец Гельмгольца", соответственно. Далее приведены результаты исследований рамок с помощью данного стенда.
Рис. 2. Стенд измерения характеристик рамочных антенн
В. Сравнение с традиционно используемой резонансной рамкой
Для сравнения по действующей высоте выбрана резонансная рамочная антенна, изображенная на рис. 3. Это традиционно используемая резонансная перестраиваемая рамочная антенна [7, 8]. В проводимых эксперимен-
тах антенна перестраивается конденсаторами С1-С3 в диапазоне частот 3^8 МГц. На рис. 4 приведены зависимости действующих высот коаксиальной рамки и традиционной рамки.
Рис. 3. Традиционная резонансная рамка
Рис. 4. Сравнение РКА (1) и традиционной (2) рамочных антенн по действующей высоте
С. Многожильная РКА
В работе [9] рассмотрены антенны с несколькими параллельно соединенными коаксиальными рамками, имеющие общую схему согласования, как изображено на рис. 5.
(а) (б)
Рис. 5. Многожильная РКА (а) и эквивалентная схема ее замещения (б).
В антенне по рис. 5 каждая рамка в отдельности представляет собой коаксиальный ИЭ, внутренний и внешний проводники настраиваются конденсаторами переменной емкости. Токоведущими поверхностями в данном
случае являются внутренние проводники каждой рамки, а также внутренняя и внешняя поверхности наружного проводника. При настройке, из-за взаимной связи между ними, происходит увеличение тока на общей оболочке коаксиального ИЭ. Элементы СНС позволяют настраивать контура, содержащие внутренние проводники ИЭ и его оболочку так, чтобы токи в них имели одну фазу, ток на общей оболочке РКА, состоящей из нескольких коаксиальных идентичных рамок, в идеале будет равен сумме токов на оболочках каждой рамки в отдельности. В данном случае, в идеале, согласно известным соотношениям, мощность излучения Рг пропорциональна квадрату суммы удвоенных токов всех N рамок:
Pr = f Eli'd2
(2)
где Яг - сопротивление излучения, I, - ток на поверхности каждой рамки в отдельности, N - количество соединенных рамок в антенне.
На рис. 6 приведен экспериментальный график, показывающий рост действующей высоты коаксиальной рамки при увеличении числа параллельных рамок излучателя более чем в 1,4 раза, при этом рост действующей высоты при добавлении очередной рамки уменьшается, что следует объяснить растущими потерями в добавочных конденсаторах настройки.
Рис. 6. Зависимость действующей высоты для multi-center-cores coaxial loops (1, 2, 3 and 4 center cores)
IV. Результаты
Итак, РКА может быть настроена в резонанс и согласована с трактом Z0 = 50 ^ с коэффициентом стоячей волны VSWR < 1,1. Действующая высота антенны в диапазоне 3^8 МГц составляет 0,11^0,21 м. Это превышает в два и более раза традиционную резонансную рамку. При этом действующую высоту коаксиальной антенны можно увеличить с помощью параллельного соединения нескольких коаксиальных рамок. Чем более высокодобротные конденсаторы будут использованы, тем выше будет прирост по действующей высоте.
V. Обсуждение результатов
Поскольку РКА могут иметь различное исполнение и применяться в различных радиосистемах и диапазонах длин волн, целесообразен общий целостный подход к их исследованию и реализации. На основе приведенных выше результатов, следует сформулировать методологический базис для исследования и разработки РКА, который должен включать в себя:
- достижение условия максимального заполнения излучающим элементом минимальной условной сферы, в которую может быть вписан ИЭ РКА, т.е. выбор оптимального конструктивного исполнения с учетом требуемых ограничений по габаритным размерам;
- выбор оптимальной структурной и принципиальной схемы РКА с учетом требуемого(ых) диапазона(ов) перестройки резонансной частоты. Выбор во многом зависит от конструктивного исполнения излучающего элемента - направленный или не направленный, z-образный для УКВ и т.д.;
- выбор компромисса между величиной добротности и действующей высотой (эффективностью);
- определение необходимых для точной подстройки значений элементов СНС путем схемотехнического моделирования. Следует отметить, что математическая модель, основанная на схемотехническом моделировании, в низкочастотных диапазонах не дает высокую точность значений реактивных элементов настройки и согласования. Точные, конкретные значения определяются лишь на этапе корректировки опытного образца;
- проведение физического моделирования в условиях максимально приближенных к реальным и постановку трассовых испытаний.
Среди отмеченных пунктов следует пояснить компромисс между величиной добротности и действующей высотой. Добротность определяет ширину полосы пропускания сигнала в тракте и ограничение подводимой мощности на реактивных элементах, по этой причине высокая добротность может оказаться недопустимой. С другой стороны, действующая высота тем выше, чем выше добротность, значит, надо добиваться максимально допустимой добротности с учётом ширины спектра используемых сигналов.
VI. Выводы
Проведенные исследования показали, что рамочные коаксиальные антенны являются эффективными, перспективными в применении, перестраиваемыми в широком диапазоне частот и качественно согласованными антеннами. Особенность конструкции позволяет еще более повысить эффективность без увеличения габаритов. Антенны являются наиболее актуальными в относительно низкочастотных диапазонах. Выше также предложен методологический подход, который следовало бы использовать на практике.
Список литературы
1. Klimov K. N., Godin A. S., Gezha D. S. Electrically small antennas. Part 1 // Uspekhi sovremennoi radioel-ektroniki. 2016. № 6.
2. Klimov K. N., Godin A. S., Gezha D. S. Electrically small antennas. Part 2 // Uspekhi sovremennoi radioel-ektroniki. 2016. № 7.
3. John Volakis, Chi-Chih Chen, Kyohei Fujimoto. Small Antennas: Miniaturization Techniques & Applications. McGraw-Hill, 2010.
4. Loop antennas // Balanis С. А. Antenna theory. Analysis and design. 4th ed. USA: John Wiley & Sons, 2016.
5. Пат. 2583758 Российская Федерация, МПК H 01 Q 9/00. Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна / Кисмерешкин И. П., Колесников А. В. № 2014153165/08; заявл. 25.12.14; опубл. 10.05.16 Бюл. № 13.
6. Gormakov A. N., Ulyanov I. A. Calculation and modeling of magnetic fields generated by the system «Helm-holtz rings-solenoid» // Fundamental research. 2015. № 3. URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37081.
7. Loop antennas // Straw R. Dean. Antenna book. 21st ed. USA: ARRL, 2007.
8. Rothammel K., Krishke A. Encyclopedia antenn: per. s nem. - M.: DKM Press, 2011. URL:
http://samlib.ru/u7ua6agw g a/ua6agw-14.shtml (дата обращения 20.05.2017).
9. Kismereshkin V. P., Kolesnikov A. V. Possibilities of efficiency rasing for electrically small coaxial loop antennas Zhurnal Radioelektroniki // Journal of Radio Electronics. 2015. № 2. URL: http ://j re. cplire. ru/j re/feb 15/9/text. html. (дата обращения 05.06.2017).
УДК 006.91
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко, П. П. Степанов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-209-215
Аннотация - При решении задач распознавания образов в основном применяют нейронные сети и скрыт ые марковские модели. Предлагается принципиально новый подход к решению задач распознавания образов, основанный на технологии идентификационных измерений сигналов (ИИС). Суть технологии ИИС заключается в количественном оценивании формы образов с помощью специальных инструментов и алгоритмов.
Ключевые слова: алгоритм, измерительная шкала, распознавание, распределение, тестер.
