CC BY
23
DOI 10.36622/^Ти.2022Л8.1.010 УДК 621.396
ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНОЙ УКВ-АНТЕННЫ ВИБРАТОРНОГО ТИПА С ПЛЕЧАМИ СПИРАЛЬНОЙ ФОРМЫ
В.И. Николаев1, Ю.Г. Пастернак2, В.А. Пендюрин3, С.М. Фёдоров2
ХАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 3АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
Аннотация: предложена конструкция антенны на основе двухзаходной плоской Архимедовской спирали с плечами переменной ширины, предназначенной для использования в подземных условиях. Конструкция антенны позволяет уменьшить потери в грунте из-за значительной емкости между плечами спирали, хорошей изоляции плеч спирали по постоянному току и соленоидному характеру создаваемого магнитного поля. Потери в грунте являются существенным ограничивающим фактором для применения радиоустройств под землей, а методы борьбы с этими потерями рассматриваются во множестве исследований. В ходе численного моделирования были получены основные характеристики разработанной антенны: номограмма Вольперта-Смита, коэффициент отражения от входа, коэффициент полезного действия, при различном расположении антенны. Теоретические результаты были верифицированы с помощью натурных измерений макета, размещаемого в корпусе и без него. В результате проведенных исследований были установлены следующие характеристики антенны: центральная рабочая частота - 38.1 МГц, относительная ширина полосы рабочих частот - около 0.26%, среднее значение входного сопротивления - 6 Ом, суммарные потери в антенне при условии идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности - около 0.9 дБ
Ключевые слова: электрически малая антенна, спиральные антенны, спираль Архимеда
Введение
В настоящее время при разработке и эксплуатации радиопередающих и радиоприемных устройств, например, для бортовых и наземных систем связи, актуальными являются требования, связанные с минимизацией размеров этих технических средств, что открывает большие возможности для их практического использования. Активное развитие данной тематики связано не только с сугубо научным интересом к созданию минимально достижимого размера антенн, но и с развитием материаловедения и новыми технологическими возможностями по производству антенн, прогрессу в области прикладной вычислительной электродинамики, а также с возросшими вычислительными мощностями.
Первые работы, посвященные проектированию электрически малых антенн, появились в середине 20 века [1, 2]. В это же время сформулированы исключительно важнейшие фундаментальные ограничения на основные параметры электрически малых антенн [3-6], не подвергавшиеся сомнению вплоть до публикации [7], появившейся в 1996 году, в которой по-
© Николаев В.И., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., Фёдоров С.М., 2022
ставлены под сомнения установленные ограничения [8]. В подтверждение установленных ограничений можно привести доводы профессора D.M. Grimes из Пенсильванского университета [9,10]: размеры атома, по крайней мере, интуитивно составляют примерно 0,1 нм, а длина волны его излучения равна 500 нм. Таким образом, отношение размера атома к длине волны равно 1:5000. Иными словами, это в 500 раз меньше, чем соответствующий параметр для реально созданных на настоящий момент антенн [8].
В данной статье предлагается конструкция электрически малой антенны на основе двухза-ходной плоской Архимедовской спирали с плечами переменной ширины.
Двухзаходная плоская спираль Архимеда
Основополагающей идеей использования двухзаходной плоской Архимедовской спирали с плечами переменной ширины в качестве электрически малой антенны УКВ диапазона является гипотеза о перспективности сочетания нижеперечисленных свойств антенного устройства для уменьшения влияния материальных параметров грунта на его характеристики (минимизации изменения величины входного со-
противления и значения коэффициента полезного действия, стабильности формы и параметров диаграммы направленности):
1) плечи спирали изолированы по постоянному току от стальной опорной стойки, что позволяет уменьшить величину токов, протекающих по опорной стойке, подстилающей поверхности и в грунте, а следовательно -уменьшить величину потерь мощности в грунте;
2) значительная величина емкости между плечами спирали способствует концентрации силовых линий электрического поля в непосредственной близости от спирали, благодаря чему существенная доля энергии электрического поля, главным образом - реактивного поля, сосредоточена в окрестности излучателя и является как-бы «отжатой» от подстилающей поверхности, что способствует уменьшению потерь в грунте;
3) спиральная форма плеч вибратора создает соленоидальное магнитное поле, при этом отношение энергии электрической компоненты поля, запасенной в непосредственной близости излучателя, к энергии магнитной компоненты поля уменьшается, что также благоприятствует снижению потерь в грунте, т.к. в подстилающей поверхности преобладают потери электрического характера.
На рис. 1 показана модель симметричного электрического вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда (медь, толщина -0.2 мм), расположенного внутри полости сферической формы. Высота вибратора составляла 304 мм, период спирали - 23 мм, длина каждого из его плечей - 2610 мм.
Рис. 1. Модель вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда
Проведенный численный анализ показал, что в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности центральная рабочая частота антенного устройства составляет 38.1 МГц, при этом относительная ширина полосы рабочих частот, ограниченная значением коэффициента отражения от входа антенны - 10 дБ, составляет около 0.26%. Среднее значение входного сопротивления - 6 Ом. Входные характеристики вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда приведены на рис. 2, 3. Расчетная величина суммарных потерь в антенне в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности составляет около 0.9 дБ, рис. 4.
При расположении конуса на стальном основании размерами 5 X 5 м2 и параметрах грунта £г гр. = 8 и а гр. = 0.005 См/м значение КПД равно Пе = -3.3 дБ, рис. 5. В случае, если конус установлен непосредственно на грунте, КПД антенны уменьшается до% = -9.1 дБ, рис. 6.
Для сравнения отметим, что несимметричный вибратор с резонансной высотой 2 м, запи-танный осносительно стального основания с размерами 5 X 5 м2, при засыпке его слоем грунта толщиной 0.8 м и параметрами £г гр. = 8 и а гр. = 0.005 См/м имеет значение КПД % = -11.5 дБ, т.е. вибратор с плечами в виде спирали Архимеда имеет значение КПД на 2.4 дБ выше, чем несимметричный вибратор резонансной высоты, в случае засыпки его грунтом, при одинаковом расстоянии от вершины конуса до грунта и от вершины несимметричного вибратора до грунта, равном высоте конуса 1.2 м.
Также отметим, что величина входного сопротивления вибратора с плечами в виде спирали Архимеда практически не изменяется в рассмотренных выше трех случаях (бесконечно проводящей подстилающей поверхности, стальном основании 5 X 5 м2 и подстилающей поверхности с £г гр. = 8 и а гр. = 0.005 См/м), оставаясь равной 6 Ом, поэтому для питания антенны не требуется использование автоматического согласующего устройства (АСУ), в то время как активная часть входного сопротивления несимметричного вбратора изменяется приблизительно в 6 раз при засыпке его слоем грунта толщиной 0.8 м, что требует использования АСУ.
КПД, дБ о
Рис. 2. Номограмма Вольперта-Смита вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности при волновом сопротивлении фидера 6 Ом
ч
Рис. 3. Коэффициент отражения от входа вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности при волновом сопротивлении фидера 6 Ом
КПД, дБ
-1 -2 -з:-л -5-6 -7
/ Ц
у / \ \
................ ................ ................
...............
V
________________ ......_ N
37 .8 37.9 38 38.1 38.2 38.3 38
1 .........;.......... \ \ ..........I.........;.......... ..........
\_ ..........[.....А........ .......... Ч, ..........
! 1 У 1 ......../......;.......... ..........
1 1 /А \ / ! ; \
1 « / 1 1 Г ! ! \
Г ; 1 1 \
\ ; ; 1 1
37.3 37.4 37.5 37.6 37.7 37.8 37.9 38 38.1 38.2
^ МГц
Рис. 5. Коэффициент полезного действия вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда в случае расположении конуса на стальном основании с размерами 5 х 5 м2 и параметрами грунта £г гр. = 8 и а гр. = 0.005 См/м
кпд, дБ -8
!
......... .........:.......... .......> ......... ..........
/ 1 \
! \
: .........
......... .........":.......... .........
!.1 38.2 Р. МГц
Рис. 6. Коэффициент полезного действия вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда в случае расположения конуса непосредственно на грунте с параметрами ег гр.
= 8 и а гр. = 0.005 См/м
Была разработана эскизная конструкторская документация для изготовления макета вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда, установленного в полости на вершине усеченного металлического конуса. На рис. 7 показан каркас жесткости для размещения в нем спирали, изготовленный методом фрезеровки из вспененного полистирола высокой плотности.
Г, МГц
Рис. 4. Коэффициент полезного действия вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности
Рис. 7. Диэлектрический каркас для позиционирования плечей вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда
На рис. 8 показано фото вибратора, размещенного в диэлектрическом каркасе и установленного в полусферической полости со стенками из медного листа. Макет антенны, размещенной под полистироловым обтекателем на вершине усеченного металлического конуса, показан на рис. 9.
Рис. 8. Фотография макета вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда
Рис. 9. Фотография макета вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда, размещенного под полистироловым обтекателем на вершине усеченного металлического конуса
Экспериментальные испытания макета антенны в полевых условиях показали, что частота резонанса вибратора составляет 32.6 МГц. При этом металлический конус был установлен на металлическую сетку с периодом 50 мм и размерами 5 X 5 м2 .
При измерении коэффициента усиления антенны методом замещения в качестве эталонной антенны использовался четвертьволновый несимметричный вибратор с шунтовым питанием, в качестве подстилающей поверхности которого использовалась та же самая металлическая сетка. Было установлено, что коэффициенты усиления эталонной и анализируемой антенн приблизительно одинаковы, находятся в пределах погрешности измерения порядка нескольких десятых долей децибела.
Заключение
Таким образом, предложенная конструкция обладает центральной рабочей частотой антенного устройства равной 38.1 МГц, при этом относительная ширина полосы рабочих частот, ограниченная значением коэффициента отражения от входа антенны -10 дБ, составляет
около 0.26%. Среднее значение входного сопротивления - 6 Ом. Суммарные потери в антенне в случае идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности составляют около 0.9 дБ. Исследования показали, что величина входного сопротивления вибратора с плечами в виде спирали Архимеда практически не изменяется.
Литература
1. Wheeler H.A. Fundamental Limitations of Small Antennas // Proc. IRE. 1947. V. 35. P. 1479-1484.
2. Wheeler H.A. A Helical Antenna for Circular Polarization // Ibid. P. 1484-1488.
3. Chu L.J. Physical limitations of omni-directional antennas // J. Appl. Phys. 1948. Vol. 19. P. 1163-1175.
4. Harrington R.F. Effect of antenna size on gain, bandwidth, and efficiency // J. Res. Nat. Bur. Stand. 1960. Vol. 64D. № 1. P. 1-12.
5. Collin R.E., Rothschild S. Evaluation of antenna Q // IEEE Trans. on Antennas and Propag. 1964. Vol. 12. № 1. P. 23-27.
6. Fante R.L. Quality factor of general ideal antennas // IEEE Trans. On Antennas and Propag. 1969. Vol. 17. № 2. P. 151-155.
7. McLean J.S. A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas// IEEE Trans. on Antennas and Propag. 1996. Vol. 44. № 5. P. 672675.
8. Беличенко В.П., Запасной А.С. Электрически малые антенны: проблемы, сомнения, новые результаты// Доклады ТУСУРа. 2011. № 2 (24). Ч. 1. С. 186-189.
9. Grimes D.M., Grimes C.A. Radiation Q of dipole-generated fields // Radio Sci. 1999. Vol. 34. № 2. P. 281296.
10. Grimes D.M., Grimes C.A. Minimum Q of electrically small antennas. A critical review // Microwave Opt. Tech. Lett. 2001. Vol. 28. № 2. P. 172-177.
Поступила 01.12.2021; принята к публикации 21.02.2022 Информация об авторах
Николаев Валерий Иванович - д-р техн. наук, научный референт, АО «Концерн «Созвездие» (394018, Россия, г. Воронеж, ул. Плехановская, д. 14), e-mail: nivis@mail.ru
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Пендюрин Владимир Андреевич - генеральный директор, АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи» (394062, Рос- сия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
STUDY OF A SMALL-SIZED VHF ANTENNA OF VIBRATOR TYPE WITH SPIRAL ARMS
V.I. Nikolaev1, Yu.G. Pasternak2, V.A. Pendyurin3, S.M. Fyedorov2
JSC «Concern «Sozvezdie», Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 3Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia
Abstract: we propose an antenna design based on a two-thead flat Archimedean spiral with arms of variable width, designed for use in underground conditions. The design of the antenna makes it possible to reduce losses in the ground due to the significant capacitance between the spiral arms, good DC isolation of the spiral arms and the solenoid nature of the generated magnetic field. Ground loss is a significant limiting factor for underground radio applications, and many studies have addressed these losses. In the course of numerical simulation, we obtained the main characteristics of the developed antenna: the Volpert-Smith nomogram, the reflection coefficient from the input, the efficiency with a different location of the antenna. We verified the theoretical results with the help of full-scale measurements of the layout, placed in the case and without it. As a result of the research, the following characteristics of the antenna were established: the central operating frequency is 38.1 MHz, the relative bandwidth of the operating frequencies is about 0.26%, the average value of the input impedance is 6 Ohm, the total losses in the antenna under the condition of a perfectly conductive and infinitely extended underlying surface - about 0.9 dB
Key words: electrically small antenna, spiral antennas, Archimedes spiral
References
1. Wheeler H.A." Fundamental limitations of small antennas", Proc. IRE, 1947, vol. 35, pp. 1479-1484.
2. Wheeler H.A. "A Helical antenna for circular polarization", Ibid., pp. 1484-1488.
3. Chu L.J. "Physical limitations of omni-directional antennas", J. Appl. Phys., 1948, vol. 19, pp. 1163-1175.
4. Harrington R.F. "Effect of antenna size on gain, bandwidth, and efficiency", J. Res. Nat. Bur. Stand., 1960, vol. 64D, no. 1, pp. 1-12.
5. Collin R.E., Rothschild S. "Evaluation of antenna Q", IEEE Trans. on Antennas andPropag., 1964, vol. 12, no. 1, pp. 2327.
6. Fante R.L. "Quality factor of general ideal antennas", IEEE Trans. on Antennas and Propag., 1969, vol. 17, no. 2, pp. 151155.
7. McLean J.S. "A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas", IEEE Trans. on Antennas and Propag., 1996, vol. 44, no. 5, pp. 672-675.
8. Belichenko V.P., Zapasnoy A.S. "Electrically small antennas: problems, doubts, new results", Reports of TUSUR (Doklady TUSURa), 2011, part 1, no. 2 (24), pp. 186-189.
9. Grimes D.M., Grimes C.A. "Radiation Q of dipole-generated fields", Radio Sci, 1999, vol. 34, no. 2, pp. 281-296.
10. Grimes D.M., Grimes C.A. "Minimum Q of electrically small antennas. A critical review", Microwave Opt. Tech. Lett., 2001, vol. 28, no. 2, pp. 172-177.
Submitted 01.12.2021; revised 21.02.2022
Information about the authors
Valeriy I. Nikolaev, Dr. Sc. (Techmical), Scientific Referent, «Concern «Sozvezdie» (14 Plekhanovskaya str., Voronezh 394018, Russia), e-mail: nivis@mail.ru
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Techmical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: pasternakyg@mail.ru
Vladimir A. Pendyurin, General Director, JSC RPE "Automated Communication Systems" (of. 415, 108 Peshe-Streletskaya str., Voronezh 394062, Russia), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
