Принцип формирования поля нагруженного рамочного излучателя в системах радиосвязи с подвижными объектами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УПРАВЛЕНИЕ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ИНФОРМАТИКА

УДК QQ4.431

ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯ НАГРУЖЕННОГО РАМОЧНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

© 2013 г. В.А. Велегура, В.А. Крутое, В.Ю. Титов

Велегура Владимир Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова.

Крутов Владимир Алексеевич - начальник научно-технического отделения (дислокация г. Ростов-на-Дону), Научно-производственное объединение «Специальная техника и связь» МВД РФ, науч.-техн. отделение. Тел. 8 (863) 235-06-76.

Титов Вячеслав Юрьевич - канд. техн. наук, мл. науч. сотрудник, Научно-производственное объединение «Специальная техника и связь» МВД РФ, науч.-техн. отделение. Тел. 8 (863) 235-06-76.

Velegura Vladimir Alekseevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical and electronic equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI).

Krutov Vladimir Alekseevich - Head of the Scientific and Technical Branch (dislocation, Rostov-on-Don), Federal Governmental Institution «Scientific-Production Association» Special equipment and communication «of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation, the scientific and technical branch (location, Rostov-on-Don). Ph. 8 (863) 235-06-76.

Titov Vyacheslav Jurevich - Candidate of Technical Sciences, Junior Researcher, Federal Governmental Institution «Scien-tific-Production Association» Special equipment and communication "of the Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation, the scientific and technical branch (location, Rostov-on-Don). Ph. 8 (863) 235-06-76.

Рассматривается актуальность применения всенаправленных антенн в базовых станциях систем радиосвязи с подвижными объектами. Решается внешняя задача для нагруженной рамочной антенны, размеры которой соизмеримы с длиной волны.

Ключевые слова: подвижный объект; рамочная антенна; характеристика направленности; комплексная нагрузка.

The article focuses on the relevance of omnidirectional antennas in the base stations of mobile radio. Exterior problem is solved for the loaded loop antenna, the dimensions of which are comparable with the wavelength.

Keywords: moving objects; loop antenna; directional characteristic; complex load.

Одним из наиболее перспективных направлений обеспечения мобильности и оперативности системы связи является использование в ее структуре сети радиосвязи.

В настоящее время на территории Российской Федерации с целью повышения эффективности обмена информацией развернуто большое количество систем радиосвязи, абонентами которых являются подвижные объекты. Для обеспечения максимальной площади зоны покрытия в базовых станциях таких систем применяются коллинеарные антенны, диаграммы направленности которых представлены на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма направленности коллинеарной антенны

Внешние характеристики такой антенны удовлетворяют требованиям по обеспечению радиосвязи с наземными подвижными объектами. Однако при нахождении абонентов на летательных аппаратах (вертолет, аэростат, и др.) ведение радиосвязи будет затруднено, а в некоторых случаях невозможно. Одним из вариантов решения данной проблемы может быть применение в базовой станции нагруженного рамочного излучателя с всенаправленной характеристикой излучения. С целью оценки эффективности предлагаемой альтернативной излучающей системы рассмотрим принцип формирования поля рамочной антенной с установленными по ее периметру комплексными нагрузками.

Для определения сопротивления излучения сложных проволочных антенн наиболее удобно применить метод моментов [1]. Его суть заключается в том, что антенна со стоячей волной тока рассматривается как совокупность элементарных диполей с соответствующими моментами, ориентацией и индивидуальными

координатами размещения в пространстве. Это дает возможность при расчете поля проволочной антенны применять методы теории антенных решеток.

Расчет направленных свойств нагруженных рамочных излучателей таким способом упрощает процесс нахождения моментов тока отдельных элементов, а комплексное представление распределения тока учитывает не только закономерность изменения амплитуды тока, но и фазы. Это обстоятельство особенно важно при оценке направленных свойств излучающей системы.

Представим круглую рамочную антенну (рис. 2) в виде кольцевой решетки из т диполей, центры которых расположены по окружности в точках л

6^ = ~(2] -1), где ] = 1,2,..., т. Поле такой системы излучателей может быть представлено в виде [2]:

Еб (6,Ф) = e-^W{)f6 (6,ф); Нф (6,ф) = Еб (6,Ф) •

W°

-ikr E (0 ф)

Еф(0, ф)=ф); Яе(0'

ш у

м M'Jß %2/

/ ¿Ж\

в'i) g X /*

В сферической системе координат функции /е (6, ф) и /ф(6, ф) представим в следующем виде:

fe (6, p) = -i [PX sin6 cosp - PZ cos6];

fp(6, ф) = iPx sin Ф,

где коэффициенты Px и PZ определяются соотношениями:

Px =-SMj sin0 j ; j=i m

PZ = £ Mj cos0j .

j=i

Здесь

2л

—j

, r ikR cos a j

M j = e J

J I (0' ) d0';

-(j-i) m

cos a j = cos 0 cos 0 j cos ф + sin 0 sin 0j.

(i) (2)

(3)

(4)

где W0 = 120 л - волновое сопротивление свободного пространства; г - расстояние от центра координатной

1,2,...

системы до точки наблюдения; к =-. Нужно

R

заметить, что амплитудные множители, характеризующие источник излучения, входят в функции f6 (6, ф) и fф (6, ф). Именно эти функции определяют

направленные свойства рамочной антенны в плоскости Е и Н соответственно.

Р(гЛ<р)А

С учетом выражений (1) и (2) соотношения, описывающие характеристики направленности вертикальной рамочной антенны, будут иметь вид:

m

/е (6, ф) = i Y Mj (cos 6 cos 6 j + sin 6 sin 6j cos p); (5)

j=1

/ф (0, ф) = -i £ Mj sinфsin0j .

(6)

j=i

В системах возбуждения с одним генератором функция распределения тока I (6' ) будет иметь вид [3]:

Vе

1 <ф)=-'

(А° + iB°) + 2 £ (Ап + iBn) cos пф + /ту(ф)

n=i

где V0e - напряжение возбуждающего генератора; p = 1 при ф = 0 ; p = 0 при ф = 1; А, В - коэффициенты многочлена.

Тогда выражение (3) может быть представлено

как:

ikR cos a:

Mj =-Q (X + Y)e

(7)

где

Xj = 2

Y =2

л . „Л An . лп лп -A° + 2sin—cos —(ij - i)

2 n=i n m m

л „ „A Bn . лп лп „ -B° + 2 sin—cos —(ij-i)

2 п=1 п m m

Рис. 2. Кольцевая решетка, состоящая из m диполей

Vе

Q =

л W

Подставляя (7) в (5) и (6), опустив при этом множитель Q, получим окончательную форму соотношений, которые в полной степени описывают характери-

стики направленности вертикальной ненагруженнои рамочной антенны.

/е(0, ф)=£

j=i

+i £

j=i

[x, cos (kR cos a j)-Yj sin (kR cos a j )] (cos е cos е j + sin е sin ej cos ф) [x, sin (kR cos a j) + Yj cos (kR cos a j )] (cos e cos ej + sin e sin e j' cos ф)

; (82)

/ф (e, ф) = -£ [ Xj cos (kR cos a j)- Yj sin (kR cos a j )]x

j=i

<sin ej sin ф-i £ [ X, sin (kR cos aj) + Yj co[(kR cos a j )]x <sin e j sinф]. (9)

j=i

Соотношения (8) и (9) справедливы не только для ненагруженных антенн округлой формы, но и для рамок, имеющих в своем составе конечное число возбуждающих генераторов и нагрузочных сопротивлений. При этом, заменяя коэффициенты X^ и ,

можно получить аналитические выражения для характеристик направленности нагруженных рамочных излучателей практически любой конфигурации:

- рамка, возбуждаемая двумя синфазными генераторами:

Xj = 8 £

A2n-1

12n -1

- 1 Г(2п-Ф

Yj = 8 £

B2n-1

-1 Г(2п-1),)

\2n-1

- рамка, возбуждаемая двумя противофазными генераторами:

Xj = 4

Y =4

4 A

u2n n=1 2n

Ao + 2 £ , П Г2n,m

4 B

2n

n=1 2n

— B0 + 2 £^TLr2n,m

- рамка, возбуждаемая одним генераторам и нагруженная сопротивлением в точке ф = л:

Xj = 2 -[Ao (1 - CI) + BoC" ] + [ m

An ("-C" (-")n) + BnC"' (-")n"

-[Bo (1 -C")-AoC"'] + m

Bn (l-C" (-l)n)-AC (-")n"

4 1

+ 2 £ -

n=1 n

Г„

Y, = 2

41

+ 2 £ 1

n=1 n

Г

- рамка, возбуждаемая двумя противофазными генераторам и нагруженная сопротивлениями в точ-

ках ф = +— : 2

Xj = 4

-[ Ao (1 - C1) + B2C2 ] +

41

+ 2 ^ [A2n (1 - i2nC2) + B2nC2''i2n (-1)"

n=12n[ v '

Г

2n,m

Yj = 4

41

+ 2 £ 7"

n=1 2n

-[Bo (1 -C1)-AoC2] + m

(1 - i 2nC1)

B2n (1 - i 2nC1 )-A^''i 2n

Г

- рамка, возбуждаемая двумя противофазными генераторам и нагруженная сопротивлениями в точ-

л 3л

ках ф1,2 = ± ^ и Фз,4 = :

Xj = 4

Ao (1-C3 -C4)+Bo (C3+C4)]+

m

4 1

+2 £ r

n=12n

A

1-| C3' cosn^+C4 cosn

+B2n I C3" cosn-^-+C4'' cosn^

Г.

Yj = 4

~[Bo (1-C3 -C4)-Ao (C3'+C4)]+

41

+2 £ 9~

n=1 2n

B

2n

1-1 C3' cos n ^+C4 cos n

-B2n | C2''cosn^-+C4''cosn

Г

2n,m

где = sin—cos — (2 j -1); C\ = Re[C\ ]; C2 = да да

= Re [C2 ]; C3 = Re [C3 ]; C\ = Im [C\ ]; C'2 = Im [C2 ]; C3 = Im[C3 ]; C4 = Im[C4 ]; C\ - С4 - коэффициенты,

характеризующие входную проводимость рамки.

На рис. 3 изображена антенная система, состоящая из прямоугольной рамки с периметром, близким к 1,5Х, в каждый из четырех углов которой включены кор\ткозамкнутые шлейфы [4]. Рамка закреплена вертикально на проводящем диске, диаметром 0,8Х, с помощью двух короткозамкнутых шлейфов длиной 0,18Х и 0,25Х соответственно. В верхних углах рамки включены проволочные треугольные структуры, расположенные в плоскости рамки и соединяющие в перекрестном -\рядке ее горизонтальную и вертикальные стороны, образуя при этом комплексные нагрузки. Питание антенны осуществляется через несимметричный коаксиальный разъем, установленный на проводящем диске.

+

+

Рис. 3. Всенаправленная антенна (вариант для ВЧ-диапазона)

Центральный элемент разъема подключен к ко-роткозамкнутому шлейфу большей длины в точке, отстоящей на расстоянии 0,1^ от вертикальной стороны рамки.

На рис. 4 представлена диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости.

способность нагруженных рамочных антенн позволяет формировать зоны покрытия во всех направлениях пространства.

Рис. 4. Диаграмма направленности всенаправленной антенны

Из графика видно, что благодаря применению комплексных нагрузок и соответствующему подбору их значений, предлагаемая антенная система формирует близкую к изотропной в верхнем полупространстве диаграмму направленности. Такая излучающая

Литература

1. Harrington R.F. Field Computation by Moment Methods. MacMillan. New York, 1968.

2. Калинин В.И., Крутое В.А., Титов В.Ю. Коррекция направленных свойств антенн в системах связи с подвижными объектами и навигации // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. тр. XII междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», декабрь, СПб. 2011.

3. Велегура В.А., Титов В.Ю. Внутренняя задача для кольцевой рамочной антенны // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 1.

4. Велегура В.А., Титов В.Ю. Всенаправленная антенна: Патент РФ № 2430541, 2010 г.

Поступила в редакцию

1 апреля 2013 г.