CC BY
19
DOI 10.36622/^Ти.2022.18.1.015 УДК 621.396
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ВИБРАТОР ПИСТОЛЬКОРСА С ПЛЕЧАМИ НА ОСНОВЕ ТРЕХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ СПИРАЛЕЙ, ЗАМКНУТЫХ НА ТОРЦАХ
В.И. Николаев1, Ю.Г. Пастернак2, В.А. Пендюрин3
ХАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж, Россия
2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 3АО Научно-производственное предприятие «Автоматизированные системы связи»,
г. Воронеж, Россия
Аннотация: представлен модифицированный вибратор Пистолькорса с плечами в виде цилиндрических спиралей. Исследовались два варианта конструкции вибратора: с противоположными направлениями намотки ветвей спирали в плечах и с одинаковыми направлениями намотки. Представленная конструкция позволяет решить актуальную задачу по уменьшению размеров антенн для радиотехнических систем. Проведено сравнение рабочих характеристик предложенных конструкций и представлены результаты экспериментального исследования. В ходе исследования был получен ряд основных параметров антенны: номограмма Вольперта-Смита, коэффициент отражения от входа, коэффициент полезного действия при различных условиях. Был изготовлен макет разработанной антенны, размещаемый в различных условиях: нижняя половина вибратора помещалась внутрь металлического цилиндра; вибратор и цилиндр размещались на вершине металлического конуса; вибратор размещался в кожухе из диэлектрика, установленном на подстилающей поверхности в виде стальной сетки. В результате проведенных исследований было установлено, что вибратору Пистолькорса с одинаковыми направлениями намотки ветвей спирали свойственна намного более широкая полоса рабочих частот по согласованию с фидерной линией, а величина его входного сопротивления примерно в 2 раза больше, чем при противоположно направленных намотках ветвей спирали
Ключевые слова: электрически малые антенны, вибратор Пистолькорса, спиральная антенна
Введение
Размер антенны является важным фактором, существенно влияющим на общий размер беспроводной системы. Следовательно, актуальным является разработка миниатюрных антенн для систем беспроводной связи. Однако уменьшение размера антенн является сложной задачей из-за его влияния на рабочие характеристики. Поэтому разработчикам приходится искать компромисс между этими двумя факторами.
Существуют конструкции электрически малых кольцевых антенн (в литературе можно найти обозначение "магнитное кольцо"), как правило, имеющих диаметр меньше одной десятой длины волны [1]. Из-за своих малых размеров такие антенны нашли широкое применение в различных отраслях. Например, в использовании в авиатехнике, кораблях, автомобилях [1]. В работе [2] рассматривается применение электрически малых антенн из половины петли (и схожих конструкций) для установки на объекты различной военной техники.
В работе [3] приводятся способы решения актуальной задачи при создании электрических антенн - учета потерь. В качестве исследуемой антенны авторы использовали кольцевую ан-
© Николаев В.И., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А., 2022
тенну с тороидальным трансформатором, предназначенным для вычисления импеданса антенны. Также приведены различные потери и математические выражения для их оценки.
Другой возможный способ уменьшения размеров кольцевых антенн описан в [1] - магнитный монополь окружен дополнительным емкостным экраном, а как указано в [6, 7], такой способ применим и для уменьшения размеров монопольных антенн.
В данной работе представлена конструкция модифицированного вибратора Пистоль-корса с плечами в виде цилиндрических спиралей с двумя вариантами направления намотки ветвей в спирали.
Модифицированный вибратор Пистолькорса
Принципы, положенные в основу построения электрически малой антенны в виде много-заходной (в частности - трехзаходной) спирали, плечи которой расположены на боковой поверхности цилиндра и замкнуты на кольца, лежащие по периметрам нижнего и верхнего оснований цилиндра, сходны с принципами построения вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда. Варианты данной антенны характеризуются коротким замыканием их входа по постоянному току и, по сути, яв-
ляются разновидностью петлевого вибратора Пистолькорса. Их отличиями от классических вариантов вибратора Пистолькорса являются: спиральная форма плечей; количество плечей может быть большим двух; у вибратора имеется продольный магнитный момент, являющийся следствием протекания токов по его плечам в форме цилиндрической спирали; высокая добротность, обусловленная малыми электрическими размерами антенного устройства.
Отличиями описываемых ниже модифицированных вибраторов Пистолькорса от вибратора с плечами в виде плоских спиралей Архимеда, вызывающими существенное изменение входных характеристик антенны, являются следующие:
- тонкопроволочные плечи спирали характеризуются существенно более высокими значениями волнового сопротивления эквивалентной линии передачи, в результате чего сопротивление излучения и входное сопротивление антенны на частоте резонанса существенно выше, что упрощает методику проектирования согласующего устройства;
- более высокая концентрация реактивного магнитного поля вблизи антенны и, следовательно, меньшая относительная доля энергии реактивного электрического поля в непосредственной близи от излучателя приводит к снижению потерь мощности в грунте, т.к. в нем преобладают потери электрического характера;
- плечи вибратора в форме цилиндрических спиралей являются излучателями, преимущественно электрического типа (т.к. сопротивление излучение электрически малой рамки является существенно меньшим сопротивления излучения электрического вибратора сравнимого геометрического размера), поэтому излучатель имеет емкостный характер входного сопротивления на частотах ниже полуволнового резонанса и индуктивный характер - на частотах выше резонансной, в то время как два петлевых шунта каждого неразрывного плеча, наоборот, характеризуются индуктивным характером входного сопротивления на частотах ниже резонансной и емкостным - на частотах выше резонансной, как короткозамкнутые отрезки двухпроводной линии длинной большей четверти длины волны, но меньшей половины длины волны, в результате чего имеет место компенсация суммарной реактивной компоненты входного сопротивления, и антенна характеризуется большей шириной полосы рабочих частот по заданному качеству согласования с фидерной линией.
Были исследованы два варианта конструкции модифицированного вибратора Пистоль-корса с плечами в виде цилиндрических спиралей: с противоположными направлениями намотки ветвей спирали в плечах (рис. 1 а) и с одинаковыми направлениями намотки (рис. 2).
б)
Рис. 1. Вибраторы Пистолькорса в виде трехзаходной спирали, размещенной на боковой поверхности цилиндра: а) противоположные направления намотки ветвей спирали в плечах; б) одинаковые направления намотки ветвей спирали в плечах
В ходе численного эксперимента было выяснено, что вариант с одинаковыми направлениями намотки ветвей спирали обладает существенно более широкой полосой рабочих частот по согласованию с фидерной линией; при этом величина входного сопротивления антенны примерно в 2 раза больше, чем в случае противоположных направлений намотки ветвей спирали. Нижние плечи вибратора располагались в полости глубиной 113 мм и диаметром 238 мм внутри цилиндра с внешним диаметром 260 мм и высотой 1200 мм; полная высота вибратора составляла 297 мм, внешний диаметр вибратора - 216 мм; в идеальном случае поверхность считалась идеально проводящей и бесконечно протяженной, рис. 2. Входные характеристики антенны и частотная зависимость ее КПД показаны на рис. 3-5.
Рис. 2. Расположение вибратора в полости на вершине опорной стойки
О 34.5 (123, -118) Ohm О 35.6 (161, 120) Ohm Frequency / MHz
0.4 i/v
Sil. дБ
34.5 34.6 34.7 34.8 34.9 35 35.1 35.2 35.3 35.4 35.5 35.6
F, МГц
Рис. 4. Коэффициент отражения от входа модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Случай идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности
КПД. дБ
34.5 34.6 34.7 34.S 34.9 35 35.1 35,2 35.3 35.4 35.5 35.5
F, МГц
Рис. 5. Коэффициент полезного действия модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Случай идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности
Для оценки влияния конечности размеров хорошо проводящей подстилающей поверхности на характеристики антенны был проведен следующий численный эксперимент. Антенное устройство располагалось на стальном основании диаметром 3 м, установленном на грунте с относительной диэлектрической проницаемостью £у = 5 и проводимостью о = 0.005 См/м, рис. 6. Входное сопротивление практически не изменилось (рис. 7, 8), а значение КПД уменьшилось на 5 дБ (рис. 9) по сравнению со случаем идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности.
Был изготовлен макет вибратора с плечами в виде трех цилиндрических спиралей, замкнутых на верхнее и нижнее основания, рис. 10.
Рис. 3. Номограмма Вольперта-Смита модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Случай идеально проводящей и бесконечно протяженной подстилающей поверхности
Рис. 6. Модель вибратора на стойке с конечной хорошо проводящей поверхностью, установленной на грунте с параметрами £у = 5 и а = 0.005 См/м
О 34.5 (86.2, -112) Ohm О 35,6 (135, 103) Ohm Frequency / MHz 0.6 i
0.4
■ Sl,l (135 Ohm)
Рис. 7. Номограмма Вольперта-Смита модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами
в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Подстилающая поверхность - стальная плита диаметром 3 м и грунт с £у = 5 и а = 0.005 См/м
Sil. дБ
о
-2 л -б -8 -10 -12 -14 -16
: i : : i i : i
........:........:........ ........:........;........ .........................."........]......... .........:.........:........
f ;
i i
i N. i i
i V i i
: ! i \ : 1 : \ i
........:........?........ i ........ \ ........:........:......... Ni / i
; ; i : \ / ; ;
i ! ! r—f
КПД, дБ
-5 --5.1 -5.2 -5.3 -5.4 -5.5 -5.6 -5.7 -5.8 -5.9 -б -6.1
-6.2 34.5
i
J : ч
:
....... ....... ....... : ......!....... .......
i
:
....... ....... ....... ....... ....... ......-1....... : .......
34.6 34.7 34.8 34.9 35 35.1 35.2 35.3 35.4
35.5 35.6 F, МГц
Рис. 9. Коэффициент полезного действия модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами
в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Подстилающая поверхность - стальная плита диаметром 3 м и грунт с £у = 5 и а = 0.005 См/м
31.5 34.6 34.7 34.8 34.9
35.1 35.2 35.3
35.4 35.5 35.6 F. МГц
Рис. 10. Макет вибратора Пистолькорса с цилиндрическими плечами: а) нижняя половина вибратора помещена внутрь металлического цилиндра; б) вибратор и цилиндр размещены на вершине металлического конуса высотой 1200 мм; в) вибратор в кожухе из диэлектрика, установленный на подстилающую поверхность в виде стальной сетки, полная высота антенны - 700 мм относительно поверхности грунта
Рис. 8. Коэффициент отражения от входа модифицированного вибратора Пистолькорса с плечами в виде цилиндрических спиралей с одинаковыми направлениями намотки. Волновое сопротивление фидера - 135 Ом. Подстилающая поверхность - стальная плита диаметром 3 м и грунт с £у = 5 и а = 0.005 См/м
в)
Рис. 10. Макет вибратора Пистолькорса с цилиндрическими плечами: а) нижняя половина вибратора помещена внутрь металлического цилиндра; б) вибратор и цилиндр размещены на вершине металлического конуса высотой 1200 мм; в) вибратор в кожухе из диэлектрика, установленный на подстилающую поверхность в виде стальной сетки, полная высота антенны - 700 мм относительно поверхности грунта (продолжение)
Исследования макета антенны показали, что использование каркаса из вспененного диэлектрика снижает значение резонансной частоты относительно расчетного значения 35.1 МГц приблизительно до 27 МГц.
Измерение коэффициента усиления вибратора проводилось методом сравнения (методом замещения антенны) со стандартным четвертьволновым штырем, настроенным на частоту 27 МГц. В качестве передатчика использовался генератор с выходной мощностью 20 дБм, к выходу которого был подключен симметричный электрический вибратор. Для ими-
тации железобетонного основания на земле была расстелена металлическая сетка с периодом 50 мм и размерами 3 X 3 м2.
Результаты измерений показали, что в полосе частот около 7.4 % вибратор Пистолькорса с тремя спиральными плечами имеет коэффициент усиления на 1.5-1.9 дБ выше, чем у четвертьволнового несимметричного электрического вибратора, запитанного относительно той же металлической сетки, рис. 11.
Рис. 11. Разница напряжений на выходе модифицированного вибратора Пистолькорса с тремя цилиндрическими спиральными плечами (рис. 10 в) и на выходе четвертьволнового штыря, настроенного на частоту 27 МГц
Заключение
Таким образом, результаты исследования показали, что вариант вибратора Пистолькорса с одинаковыми направлениями намотки ветвей спирали обладает существенно более широкой полосой рабочих частот по согласованию с фидерной линией. При этом величина входного сопротивления антенны примерно в 2 раза больше, чем в случае противоположных направлений намотки ветвей спирали. Результаты экспериментального исследования хорошо согласуются с численными расчетами.
Литература
1. Robert С. Hansen and Robert E. Collin. Small Antenna Handbook. John Wiley & Sons, Inc. Published, 2011. 346 p.
2. Ignatenko M., Filipovic D.S. On the Design of Vehicular Electrically Small Antennas for NVIS Communications// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol. 64. Is. 6. Pp. 2136-2145. DOI: 10.1109/TAP.2016.2547018.
3. Austin B.A., Boswell A., Perks M.A. Loss Mechanisms in the Electrically Small Loop Antenna [Antenna Designer's Notebook] // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2014. Vol. 56. Is. 4. Pp. 142 - 147. DOI: 10.1109/MAP.2014.6931671.
4. Volger L.E., Noble J.L. Curves of Input Impedance Change Due To ground for Dipole Antennas // National
Bureau of Standarts Monograf 72. 1964. № 31. 48 р.
5. Best S.R. Optimizing the Receiving Properties of Electrically Small HF Antennas // The Radio Science Bulletin. 2016. No 359. Pp.13-29.
6. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты. Первая миля 3-4/2010. UPL:
http://www.lastmile.su/files/article_pdl72/artide_2036_557.pdf 7. Erentok A.and Ziolkowski R.W. Metamaterial-Inspired Efficient Electrically Small Antennas// Transactions on Antennas and Propagation. 2009. № 56(3). P. 691 - 707. DOI: 10.1109/TAP.2008.916949.
Поступила 01.12.2021; принята к публикации 16.02.2022 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, Россия, г. Воронеж, ул. Пеше-Стрелецкая, д. 108, офис 415), e-mail: infonpp-acc.ru@yandex.ru
MODIFIED PISTOHLKORS DIPOLE WITH ARMS BASED ON THREE CYLINDRICAL SPIRALS CLOSED AT THE ENDS
V.I. Nikolaev1, Yu.G. Pasternak2, V.A. Pendyurin3
JSC «Concern «Sozvezdie», Voronezh, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 3Research and Production Enterprise "Automated Communication Systems", Voronezh, Russia
Abstract: we present a modified Pistohlkors dipole with arms in the form of cylindrical spirals. We studied two versions of the dipole design: with opposite winding directions of the spiral branches in the arms and with the same winding directions. The presented design allows solving the actual problem of reducing the size of antennas for radio engineering systems. We compared the performance characteristics of the proposed structures and presented the results of an experimental study. In the course of the study, we obtained a number of basic parameters of the antenna: the Volpert-Smith nomogram, the reflection coefficient from the input, the efficiency under various conditions. We made a model of the developed antenna, placed in various conditions: the lower half of the dipole was placed inside a metal cylinder; the dipole and cylinder were placed on top of a metal cone; the dipole was housed in a dielectric casing mounted on the underlying surface in the form of a steel mesh. As a result of the research, we found that the Pistohlkors dipole with the same winding directions of the spiral branches is characterized by a much wider band of operating frequencies in agreement with the feeder line, and the value of its input resistance is approximately 2 times greater than with oppositely directed windings of the spiral branches
Key words: electrically small antennas, Pistohlkors dipole, helical antenna
References
1. Hansen R.C., Collin R.E. "Small antenna handbook", 2011 John Wiley & Sons, Inc., 346 p.
2. Ignatenko M., Filipovic D.S. "On the design of vehicular electrically small antennas for NVIS communications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, June 2016, vol. 64, issue 6, pp. 2136-2145, DOI: 10.1109/TAP.2016.2547018.
3. Austin B.A., Boswell A., Perks M.A. "Loss mechanisms in the electrically small loop antenna", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 56, issue 4, Aug. 2014, pp. 142-147, DOI: 10.1109/MAP.2014.6931671.
4. Volger L.E., Noble J.L. "Curves of input impedance change due to ground for dipole antennas", National Bureau of Standarts Monograf 72, January 31, 1964.
5. Best S.R. "Optimizing the receiving properties of electrically small HF antennas", The Radio Science Bulletin, December 2016, no. 359, pp. 13-29.
6. Slyusar V. "Metamaterials in antenna technology: basic principles and results", The First Mile 3-4/2010, available at: http://www.lastmile.su/files/article_pdf/2/article_2036_557.pdf
7. Erentok A., Ziolkowski R.W. "Metamaterial-inspired efficient electrically small antennas", Transactions on Antennas and Propagation, 2009, vol. 56(3), pp. 691-707, DOI: 10.1109/TAP.2008.916949.
Submitted 01.12.2021; revised 16.02.2022
Information about the authors
Valeriy I. Nikolaev, Dr. Sc. (Technical), Scientific Referent, «Concern «Sozvezdie» (14 Plekhanovskaya str., Voronezh 394018, Russia), e-mail: nivis@mail.ru
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), 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
