CC BY
248
УДК 621.396.6
Ю. В. БЛШКАТОВ В. Н. ХОРВАТ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН КОРОТКОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА
В данной статье рассматривается проблема миниатюризации коротковолновых антенн. Как известно, проблема антенн с уменьшенными размерами остается актуальной и сегодня. В работе дается более точная оценка видов малогабаритных антенн и эффективности их работы в коротковолновом диапазоне. Приводятся результаты численных экспериментов размещенных вариантов антенн в пространстве относительно земли, проведенных компьютерными программами MMANA, Magnetic Loop Antenna Calculator.
Ключевые слова: антенна, электромагнитное поле, вибраторная антенна, коротковолновая связь, коэффициент полезного действия антенны, коэффициент усиления, входное сопротивление, волновое сопротивление линии, магнитно-рамочная антенна, MMANA.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 гг.
Рамочные антенны являются одним из интереснейших типов малогабаритных приемопередающих антенн. Магнитные антенны часто являются единственным типом передающих антенн, которые могут быть установлены в ограниченном пространстве и обеспечить более эффективную работу в эфире по сравнению с другими типами укороченных антенн.
Усиление, которое может дать рамочная антенна, определяется выражением:
(1)
где 5эфф — эффективная площадь антенны.
Для коротковолновых антенн вопросу поляризации можно не придавать большого значения, так как в процессе многократного отражения коротких волн от различных слоев ионосферы поляризация приходящей волны случайна и непредсказуема во времени [ 1 ].
Реальная коротковолновая антенна всегда располагается над подстилающей поверхностью на высоте, соизмеримой с длиной волны. Переменное электромагнитное поле, создаваемое антенной, вызывает в подстилающей поверхности появление токов. Хорошая коротковолновая антенна может сосредоточить все излучение в пределах углов от 10° до 20° к горизонту. Ненаправленная антенна, например штырь, излучает электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях.
Магнитная рамочная антенна имеет вид петли из проводника, которая подключена к конденсатору переменной емкости. Периметр петли обычно находится в пределах от 0,03А, до 0,25Л и имеет форму круга. Антенна, имеющая форму круга, считается классической рамочной антенной. Эквивалентная схема рамочной антенны показана на рис. 1. Как видно из этой схемы, рамочную антенну можно представить в виде параллельно включенных конденсатора и катушки, последовательно с которыми включены два сопротивления, одно из них, сопротивление потерь 11пот, а второе — сопротивление излучения Ли .
Генератор в, изображенный на рис. 1, включен в магнитную рамку и отдает определенную мощность. Во многих случаях не представляет труда определить, какая мощность поступает от генератора в нагрузку, в данном случае в магнитную рамку [2]. Однако не вся мощность, которая отдается генератором в антенну, излучается в эфир. Некоторая часть мощности генератора Рпот безвозвратно теряется виде тепловых потерь в металлических и диэлектрических частях антенны, в окружающих антенну предметах, в земле. Через эту теряемую мощность и выражают сопротивление потерь антенны:
R — Р /\
пот пот
(2)
где I — действующее значение тока в антенне.
Итак, сопротивление потерь антенны формально представляет собой коэффициент, зная который можно определить мощность потерь в антенне по формуле:
О — Т^П пот пот'
(3)
Та часть мощности, которая не рассеялась в тепло на сопротивлении потерь в рамке, излучается в эфир [3]. На основе измерений можно определить излученную мощность Ризл. Излучаемую в эфир мощность выражают через сопротивление излучения антенны:
Р = Р /Г
изл изл
(4)
Сопротивление излучения антенны формально представляет собой коэффициент, зная который можно определить мощность излучения антенны:
Р =№ .
изл изл
(5)
В эквивалентной схеме к генератору подключено последовательно два сопротивления, на одном из них мощность генератора теряется, а на другом — выделя-
ется мощность, идущая на излучение в эфир. В дальнейшем можно найти коэффициент полезного действия антенны, которой сопротивление потерь и сопротивление излучения антенны выражается:
КПД=(РИЗЛ/(РИЗЛ + К,ЮТ))100%. (6)
Значения сопротивления потерь и сопротивления излучения антенны зависят от размеров антенны, от ее размещения в пространстве, от материалов, используемых для конструкции антенны [4]. В лабораторных условиях точно определить эти величины экспериментальным путем достаточно сложно. Однако сопротивление потерь и сопротивление излучения магнитных рамок вполне можно определить при помощи программ расчета антенн, используемых для моделирования магнитных рамок. Были проделаны расчеты магнитных антенн с использованием программы MMANA, а затем полученные результаты были сравнены с теми, что получены с помощью упрощенных специализированных программ. Программа Magnetic Loop Antenna Calculator позволяет произвести расчет параметров магнитной рамки. Было выяснено, что все эти программы выдают примерно одинаковые значения сопротивления потерь и сопротивления излучения. При расчетах емкости конденсатора эти программы выдают результаты, несколько отличающиеся друг от друга, но это в данном случае не столь существенно, так как при конструировании антенны емкость конденсатора все равно нуждается
в подстройке [5]. При помощи программ были вычислены параметры рамочных антенн, выполненных на основе алюминиевых обручей. На рис. 2 приведены графики изменения сопротивлений излучения, сопротивления потерь и емкости конденсатора рамки в частотном диапазоне от 3,5 до 28,5 МГц. На рис. 3 приведены графики изменения добротности и коэффициент полезного действия антенн.
Эквивалентная схема антенны состоит из последовательно включенных катушки, конденсатора и сопротивления потерь и сопротивления излучения. С увеличением частоты настройки антенны емкость конденсатора уменьшается, а индуктивность остается прежней. В этом случае возрастает характеристическое сопротивление контура Ъх, которое равно:
гх=(Ь/С)72, поэтому О = (Япот + Яизл). (7)
Следовательно, первоначальный рост добротности магнитной антенны можно объяснить большим ростом ее характеристического сопротивления и в тоже время малым ростом сопротивления потерь и сопротивления излучения антенны. График изменения сопротивления излучения рамочной антенны и сопротивления потерь в ней показан на рис. 2. Из этого рисунка видно, что при периметре петли антенны, равном примерно 0,11IX, сопротивление излучения антенны начинает резко возрастать. В тоже время, график сопротивления потерь антенны носит монотонный характер. Следовательно, если рост сопротивления излучения антенны значительно превысит рост сопротивления потерь, добротность антенны будет падать, а мощность, подводимая к антенне, будет в основном рассеиваться на сопротивлении излучения или, попросту говоря, излучаться в эфир [6]. Это важный вывод для понятия работы рамочных антенн.
Каждая качественно выполненная магнитная рамка имеет свой критический периметр, после которого рост сопротивления излучения происходит быстрее роста сопротивления потерь в ней. В нашем случае этот критический периметр для рамки, выполненной из алюминиевой трубы, оказался равным 0,11IX, или частоте 12,5 МГц. Сопротивление излучения магнитной рамки с периметром 0,11IX равно 0,025 Ом. Исходя из этого, д ля конкретной рамки получится значительный
Со« роти агеен и?е.
Е.мкснсть томденеатора„ миллиОм
Рис. 2. График изменения сопротивления излучения, сопротивления потерь и емкости конденсатора рамки
Ош
4т
зсмэ
3 6,01 ад ( 11,0 I | | 18.5 21,01 23*3 I 28-5
Ч-4-1 I I -1-1-1-1
0,031 0,08
ЗД88 0,1ДО 0,119
Де^ротноет** ДОМКИ
0,21.2. 0Д41 Оеряшдегр
ДОМИН, лямбда
У ШД домки
Рис. 3. График изменения добротности и коэффициент полезного действия
рЦН для пояяризаций™ I Р V Г И Г Суми. г У+Н
1 Ргед в- ¡X Са т
■ -0.9 -23.8 0.0 Оп
3.887 0.3 -0.4 -23.7 0.0 Оп
3.897 0.3 :0.1 -23.7 0.0 Оп
3 307 0 3 0 7 -23 7 0 0 Оп
3917 0.3 1 2 -23 6 00 Оп
Рис. 4. Диаграмма направленности вертикальной магнитной антенны с вертикальной поляризацией
■10
40
-23 6(с(В1) - ОйВ
-ДН для поляризаций----------
ГУ Н г Сумм, г у+н
)Ргед IIX )0а \т ]ом|
¿.з 5-0.9 -23 8 ш.о Оп
3.887 0.3 -0.-1 -23.7 10.0 Оп
3.897 0 3 10.1 -23 7 Ш.О Оп
3 907 03 Ш.7 -23 7 ш.о Оп
3917 03 :1.2 -23 6 0.0 Оп
Рис. 5. Диаграмма направленности вертикальной магнитной антенны с горизонтальной поляризацией
Рис.6. Рамочная антенна
рост коэффициента полезного действия рамочной антенны по мере роста ее периметра. Если для практического выполнения рамочной антенны использовать тонкий провод и низкодобротный конденсатор, то получится только эквивалент нагрузки антенны. Высокочастотная мощность, поступающая от передатчика в такую антенну, будет греть провод антенны, пластины и диэлектрик переменного конденсатора, а не излучаться в эфир. На рис. 4 показана диаграмма направленности вертикальной магнитной антенны для вертикальной поляризации в свободном пространстве. На рис. 5 показана диаграмма направленности вертикальной магнитной антенны для горизонтальной поляризации в свободном пространстве. Срез диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, рассчитанной по программе ММАЫА, отражает уровень, соответствующий максимальному уровню излучения. Представление срезов диаграммы направленности, а не всей объемной диаграммы, вполне достаточно для исследования антенны. Из рис. 4 видно, что для вертикальной поляризации диаграмма направленности рамочной антенны представляет собой восьмерку, лежащую вдоль полотна антенны. Минимум диаграммы направленности относительно ее максимума составляет -20 дБ. Значит, расположив магнитную антенну вертикально и вращая ее, можно осуществить работу в выбранном направлении по приему или передаче сигнала, используя радиоволны с вертикальной поляризацией [7]. Рис. 5 показывает, что рамочная антенна обладает при вертикальном размещении некоторой диаграммой направленности с горизонтальной поляризацией, что несколько ухудшает общие направленные свойства магнитной антенны. Следовательно, если есть необходимость в малогабаритной антенне с круговой диаграммой направленности, которая излучает под малыми углами к горизонту и имеет небольшое зенитное излучение, то рамочная антенна при горизонтальном размещении является именно этой антенной. Падение усиления размещенной на вертикальной рамке по сравнению с размещенной на расстоянии четверти волны над землей [8] составляет 2,9 дБ, что подтверждено при проведении сеанса радиосвязи с использованием этой антенны. Следовательно, размещение магнитной рамки в горизонтальном положе-
нии является оптимальным для работы рамочной антенны и проведении дальних коротковолновых связей. Данное обстоятельство выполнимо, но с условием, что магнитная рамка должна быть размещена на высоте не менее 0, 16А, от земли. В противном случае эффективность использования антенны для проведения дальней радиосвязи резко падает.
Оптимальное размещение этой антенны достигается при ее установке выше всех антенн, находящихся на крыше. При этом необходимо соблюдать требования по высоте установке антенны над землей или над крышей. Магнитная антенна весьма неприхотлива к расположению вокруг себя других антенн и предметов. Как показывает программа ММАЫА, их влияние на работу рамочной антенны не велико. Это одно из самых главных преимуществ магнитных антенн над всеми остальными. Магнитная рамка может быть установлена вблизи другой антенны и не мешать ее работе.
В общем случае рамочная антенна может работать в таких местах установки, в которых обычные укороченные коротковолновые антенны уже бессильны обеспечить работу в эфире. Например, магнитные рамочные антенны могут работать на передачу внутри бетонных зданий, со дна ям и оврагов.
Магнитные антенны в виде алюминиевого обруча, являются идеальным вариантом конструкции рамочной антенны. Пример практического изготовления рамочной антенны с гамма-согласованием показан на рис. 6.
Алюминиевый обруч разрезается на сварном шве, и в этом месте закрепляются конденсаторы настройки антенны. На противоположном конце от конденсаторов обруч расплющивается и в том же месте просверливается отверстие, в котором закрепляют высокочастотный разъем, который должен быть надежно соединен с полотном магнитной рамки. К центральной жиле разъема припаивают провод гамма согласования, он выполнен из медного провода и размещен на определенной высоте от обруча. В антенне не должны использоваться металлы, контакт которых может вызвать электрохимическую коррозию друг друга. В целом конструкция такой антенны неприхотлива к окружающей среде, может достаточно эффективно относительно других конструкций работать
близко к реальной земле, более помехоустойчива по сравнению с электрическими антеннами.
Таким образом, в работе проведено исследование по определению наилучших показателей по совокупности параметров рамочных антенн. При практическом применении магнитной антенны в реальных условиях и расположении рамки в горизонтальной позиции имеет место оптимальная работа на дальних трассах с отражением от ионосферы при условии размещения на высоте 0,16А, от земли.
Библиографический список
1. Григоров, И. Н. Антенны. Настройка и согласование / И. Н. Григоров. - М. : ИП РадиоСофт, 2003 . - 97 с.
2. Дробкин, А. П. Антенны. Радиосвязь / А. П. Дробкин, Е. Б. Хоренберг, С. Е. Меркулов ; подред С. Е. Степанов. — М.( 2000. - 57 с.
3. Айзенберг, Г. 3. Коротковолновые антенны / Г. 3. Айзенберг. — М.: Радио и связь, 1985 . — 123 с.
4. Сапожников, М. Антенна КВ-диапазона / М. Сапожников // Радиомир KB и УКВ . - 2008 . - № 7 . - С. 22.
5. Wheeler, Н. A. IEEE Trans / Н. A. Wheeler. - Antennas Pro-pag. - 1985 . - № 2 . - С. 78.
6.Григоров, И. Н. Антенны. Городские конструкции / И. Н. Григоров . - М. : РадиоСофт, 2003 . - 135 с.
7. Kazakevich, Yuri Hula — Hoop Magnetic Loop / Yuri Kaza-kevich. - Antentop. - 2003 . -№ 1 . - C. 69.
8. Лаповок, Я. С. Я строю KB радиостанцию / Я. С. Лаповок — М.: Патриот, 2004 .- 61 с.
БАШКАТОВ Юрий Васильевич, аспирант кафедры средств связи и информационной безопасности. ХОРВАТ Владислав Николаевич, инженер кафедры средств связи и информационной безопасности. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 09.11.2010 г. © Ю. В. Башкатов, В. Н. Хорват
УДК 621.396.93 д. н. ЮРЬЕВ
Омский НИИ приборостроения
МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ СВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЕМОЙ СИСТЕМОЙ РАДИОСВЯЗИ ПО ЗЕМНОЙ ВОЛНЕ
В статье рассматривается методика расчета дальности радиосвязи, обеспечиваемой системой радиосвязи по земной волне, с учетом мощности передатчика, характеристик приемной и передающей антенн, вида используемого для связи сигнала, рабочей частоты, характеристик подстилающей поверхности.
Ключевые слова: система радиосвязи, земная волна, подстилающая поверхность, напряженность поля, коэффициент шума.
Для территорий с низкой плотностью населения и слабо развитой инфраструктурой по-прежнему актуальна задача увеличения дальности связи радиолиний, работающих по земной волне, и увеличения площади зон обслуживания зоновых систем связи.
В системах радиосвязи, использующих рабочие частоты диапазонов УВЧ/ОВЧ, максимальная дальность радиосвязи ограничивается расстоянием прямой видимости. Одним из вариантов увеличения зоны обслуживания является снижение несущих частот в область промежуточных и средних волн, что обеспечивает загоризонтное распространение земных волн за счет процессов дифракции и рефракции. В работах [ 1 ] и [2] показано, что сигнал по земной волне может распространяться на сотни километров, при этом ослабление сигнала зависит от вида подстилающей поверхности и рабочей частоты.
В статье рассматривается методика расчета дальности связи, которая обеспечивается системой радиосвязи диапазона частот 10 МГц и ниже, работающей по земной волне.
Величина напряженности поля в точке приема Ес при распространении радиоволн поверхностными волнами может быть определена по формуле идеальной передачи, дополненной множителем ослабления:
где Р — излучаемая мощность, кВт;
Рп — мощность передатчика, кВт;
Са1 — коэффициент усиления передающей антенны;
— коэффициент направленного действия передающей антенны;
г|ф1 —к.п.д. фидера передающей антенны; г — расстояние между передающей и приемной антеннами, км;
Р—множитель ослабления, учитывающий поглощение почвы.
В соответствии с методикой Шулейкина —Ван-дер-Поля [1] множитель ослабления Р выражается
