CC BY
143
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ АНТЕННЫ ПЕРВОГО ТИПА, ПРЕОДОЛЕВАЮЩИЕ ПРЕДЕЛ ЧУ-ХАРРИНГТОНА-ФАНО
Белянский Владимир Борисович,
к.ф-м.н., доцент Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, [email protected]
Пронина Евгения Дмитриевна,
аспирант Московского технического университета связи и информатики, г. Москва, Россия, Москва, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Предложены широкодиапазонные антенны с распределенным х согласованием, габариты которых могут быть меньше габаритов антенн, обладающих минимально возможной добротностью по Чу-Харрингтону и согласованных по Фано. Такие антенны могут быть выполнены на основе логопериодических или квазилогопериодических антенн с использованием предложенных здесь частотнозависимых изоляторов 1-ого и 2-ого типов. При использовании в антенне частотнозависимых изоляторов 1-ого типа такую антенну предлагается называть антенной 1-ого типа. Антеннами 2-ого типа предложено называть антенны с использованием частотнозависимых изоляторов 2-ого типа. Частотнозависимые изоляторы 1-ого типа являются полосовыми изоляторами, а частотнозависимые изоляторы 2-ого типа - изоляторами, прозрачными на низких частотах. Применение частотнозависимых изоляторов устраняет «расплывание» эффекта отсечки тока при уменьшении размеров логопериодической антенны. В антеннах 1-го типа на любой частоте в пределах рабочего диапазона частот резонансным является только один вибратор и качество его согласования с распределительным фидером определяется только выбором величины сосредоточенного согласующего элемента и степенью близости геометрического параметра к единице, что гарантированно обеспечивает, в принципе, реализацию сколь угодно малой антенны со сколь угодно широкой полосой частот. В антеннах 2-го типа активная область может включать в себя несколько взаимосвязанных излучающих элементов, что может повысить степень компактности устройства, но при этом существенно усложняется настройка антенной системы и ее устойчивость. Так как задачей публикации является иллюстрация возможности создания сверхминиатюрных широкодиапазонных антенн, то на данной этапе рассмаириваются характеристики наиболее характерных антенн с такими свойствами - антенн 1-го типа.
Приводятся частотные характеристики частотнозависимых изоляторов, эквивалентная схема логопериодической антенны с частотнозависимым изолятором и зависимости геометрических параметров антенны от нормированной длины плеча логопериодической антенны.
Ключевые слова: логопериодическая антенна (ЛПА); сверхминиатюрная ЛПА; широкодиапазонная сверхминиатюрная ЛПА; идеализированные частотнозависимые изоляторы (ЧЗИ); геометрические параметры ЛПА; предел Чу-Харрингтона при согласовании по Фано.
Для цитирования: Белянский В.Б., Пронина Е.Д. Широкодиапазонные антенны первого типа, преодолевающие предел Чу-Харрингтона-Фано // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2017. Т. 9. № 4. С. 48-53.
Антенные системы являются неотъемлемой и существенной частью любой радиолинии. Поэтому задача минимизации габаритов антенных систем и расширения их частотного диапазона—одна из актуальных задач на сегодня. Проблема миниатюризации является весьма важной, например, при разработке цифрового радиовещания ДВ диапазона [1, 7-8], беспилотных летательных аппаратов, при разработке антенн конечных терминалов систем подвижной связи [10-11], при разработке замаскированных систем различного типа и т. п. Однако, в соответствии с фундаментальным пределом Чу-Харрингтона [3] и возможностями согласования этих антенн (предел Чу-Харрингтона-Фано [5-6]), способы улучшения приведенных выше параметров антенн являются строго лимитированными. Первой публикацией по сверхминиатюрным антенна можно считать работу [9]. Оценке возможностей преодоления предела Чу-Харрингтона посвящен ряд работ [12-17], однако из этих работ следует, что либо преодолеть предел Чу-Харрингтона невозможно, либо преодоление предела возможно при использовании метаматериалов [15-16]. Показано [4,6], что предел Чу-Харрингтона-Фано, в принципе, можно преодолеть, используя антенны с распределенным согласованием. Такого типа антенны могут быть выполнены на основе логопериодических антенн (ЛПА) [1], габариты которых уменьшаются с компенсацией реактивной составляющей системы сосредоточенными элементами-дросселями или конденсаторами. Но при уменьшении габаритов этих антенн неизбежно возникает эффект «расплывания» отсечки тока. Этот недостаток предлагается устранить использованием частотнозависимых изоляторов (ЧЗИ). Для вибраторных логопериодических антенн такими изоляторами могут быть реактивные двухполюсники полосового типа (которые
Рис. 2. Частотные характеристики частотнозависимых изоляторов (ЧЗИ) 1-го и 2-го типов
назовем частотнозависимыми изоляторами превого типа — ЧЗИ 1-го типа) или изоляторы, прозрачные на частотах, ниже некоторой граничной частоты (ЧЗИ 2-го типа). При использовании в антенне ЧЗИ только 1-го типа предлагается такую антенну называть антенной 1-го типа. Антеннами 2-го типа предлагается называть антенны с использованием ЧЗИ 2-го типа. В данной работе исследуется сверхминиатюрные антенны 1-го типа на основе вибраторных ЛПА. Геометрия такой антенны иллюстрируется рис. 1.
Геометрические параметры антенны тю [1] выбраны таким образом, чтобы огибающая полотна представляла собой равносторонний треугольник, вписанный в окружность радиуса а. Как радиус а, так и длина плеча /0, и расстояние между вибраторами используются в нормированном виде, т.е. под а, 10 и понимаются величины, нормированные к длине волны нижней частоты рабочего диапазона. Последовательно с каждым вибратором вибратора включены ЧЗИ 1-го типа.
На рис. 2 приведены частотные зависимости импеданса идеализированных и идеальных ЧЗИ 1-го и 2-го типов (идеализированных — сплошные кривые, идеальные — пунктирные кривые).
Для ЧЗИ 1-го типа
Z43H1=
Рис. 1. Геометрия логопериодической антенны
k(p + — ) при p<—,
1 1
при * p * 2' 1
k (P --) при p >-,
где P — нормированная частота, а для ЧЗИ 2-го типа
2чзи2 =
0 при p < 2,
k ( p - пРи p >2'
Приведенные характеристики удовлетворяют критерию реализации реактивных двухполюсников. Полагается, что
д2
крутизна склона характеристик ЧЗИ — = к » 1 достаточно
др
велика, чтобы в работе участвовали резонатор, резонансная частота которого близка к частоте излучения/ и два ближайших вибратора (см. эквивалентную схему на рис. 3). Длину распределительного фидера Ьф целесообразно выбрать равной четверти длины волны резонансной частоты основного вибратора, а волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению четвертьволновому трансформатору
Если в антенне используется идеальный ЧЗИ, то КСВ на входе антенны легко рассчитать. Оно равно КСВ резонансного контура с известной добротностью Q. Рассчитаем значение КСВ, число вибраторов N и добротность Q в зависимости от заданного коэффициента перекрытия % и заданного величины длины плеча / Расчеты выполнены по стандартным формулам для симметричного вибратора [2]. При расчете полагалось, что геометрические параметры антенны Ат (Ат =1-т) связаны с добротностью одиночного вибратора соотношением Ат = Q. Значение Ат как
Рис. 3. Эквивалентная схема ЛПА в области резонансной частоты Р = 0
функция от /0 Ат =f (/0) и N(%, /0) приведены на рис. 4 и 5. На рис. 5 Н10 — число вибраторов при Х=Ю-
Величина N связана с коэффициентом перекрытия %
X
и геометрическим параметром т соотношением N = —— .
ln т
Дт
m, m
m, кю
0,1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05
О
0.04 0.03 0.02 0.0] О
I
j 1
/
/
!
J /
/ V
/
0 0.020.04 0.06 ода 0.1 0.12 0.14 0.160.18 0.2
Im
а)
Дт
m, 10
Дт
m, юо
8x10
7X10
бхЮ
5x10
4X10
3x10
2X10
1X10
1
I ! f
!
/ j f
J / / г
у /
__-j- J т
0 0.01 0.020030040.050.060070.080.09 0.!
Im
б)
Рис. 4(а,б). Зависимость геометрических параметров Дт от нормированной длины плеча ЛПА /0
Рис. 5. Число вибраторов Л^ ЛПА в зависимости от%и /0
При х ^ 1 и т ^ 1 N :
х-1
Лт
Из этих рисунков в частности
следует, что при использовании идеальных ЧЗИ предел Чу-Харрингтона для антенн, работающих в полубезграничной полосе частот, преодолевается при /0 < 0, 08. Зависимость модуля коэффициента отражения антенны при идеальных
изоляторах для случая 1 - т = — приведены на рис. 6. Очевидно, что при понижении значения Ат ^ 0.
Влияние токов крайних вибраторов в первом приближении легко определить, учитывая входные сопротивления вибраторов с длинами плеч I и 11 (см рис. 3). Очевидно, что модули этих сопротивлений бесконечно велики при k ^ да. В общем случае, можно записать [2] для рассматриваемой ЛПА U_ = U _ + I-Z _ , U0 = U0 0 + I0ZR 0
o, p1?
> и = 0,1 +I2д,1> где г/о.-1 = Е , и0>0 = X 2 » р=-1 ,=-1 , г/о 1 = Е 21 I и 2д1, 2д0, 2д1- сопротивления ЧЗИ по-
р=-1
следовательно соединенных с укорачивающим дросселем для вибраторов с номерами -1, 0, 1. При d0 «1 взаимные сопротивления вибраторов в области существенных токов близки к собственному сопротивлению резонансного вибратора, а напряжение на зажимах вибраторов с номерами -1,0, 1 близки друг к другу. Отсюда следует, 2 .
что 2 = . Считая, что 2 . » 20 и 2. »20, легко
I -10 10'
2д0
оценить КСВ антенны с неидеальными изоляторами. Результаты расчетов КСВ при неидеальных ЧЗИ для антенн 1-го и 2-го типов более подробно будут приведены в последующих публикациях. Очевидно, что если в антенне ис-
Рис. 6. Частотная зависимость КСВ ЛПА 1-го типа с идеальными ЧЗИ
пользуется неидеальные ЧЗИ, значение КСВ ухудшается, однако, как показали расчеты, это ухудшение не является существенным при к >3.
Литература
1. Сверхширокополосные антенны: Сборник/ под ред. Л. С. Бененсона. М.: Мир, 1964.
2. Ерохин Г. А., Чернышев О.В., КозырееН.Д.., Кочер-жевский В. Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Горячая линия— Телеком, 2004.
3. Chu L.J. Physical limitations of omni-directional antennas // Journal of Applied Physics. 1948.No. 19.
4. Белянский В. Б., Пименов Ю. В. Электродинамические итехнологическиеособенности сверхминиатюрных антенн//
Тезисы докладов научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научно-технического и инженерно-технического состава. Кн.1.М.: МТУСИ, 2004.
5. Белянский В.Б., КочержевскийВ.Г., ХудяковК.Н. О критерии миниатюризации антенн // Труды Московского Технического Университета Связи и Информатики. 2008. Т. 2.
6. Белянский В. Б. Возможно ли преодолеть предел Чу-Харрингтона? II Т-СоттСГелекоммуникации и транспорт, 2013. №8. С. 24-27.
7. Белянский В. Б., ПрошинА.Б., Худяков К. Н. Антенны ДВ, СВ и КВ диапазонов цифрового звукового вещания уменьшенных габаритов II Т-Сотт: Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 8. С. 28-29.
8. Белянский В.Б., ПронинаЕ.Д. Малогабаритные передающие антенны длинноволнового диапазона цифрового стандарта радиовещания. II Труды Северо-Кавказского филиала Московского технического университета связи и информатики Материалы УШ-ой Международной молодежной научно-пракгическойконференции. 2015. С. 226-229.
9. WheelerN.A. Fundamental limitations of small fnten-nas //Proceeding ofthe IRE. Dec.1947. Pp 1479-1488.
10. Аникин KB., Белянский В.Б. Компактная рамочная антенна разнесенного приема// Антенны. 2012. № 1(176). С 9-16.
11. Аникин К. В., Белянский В. Б. Компактная рамочная антенна разнесенного приема. II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6.№1. С. 20-22.
12. GrimesD.H., GrimesC.A. II Microwave Opt. Tech/ Lett. 2001. Vol. 28. No. 2. Pp. 172-177.
13. Беличенко В. П. Фундаментальные пределы теории антенн II Известия высших учебных заведений. Физика. 2011. Т. 55. № 8/2. С. 57-59.
14. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн II Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2006. № 7. С. 10-19.
15. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты II Первая Миля. 2010. Вып. 3-4.
16. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы II Электроника: НТБ. 2009. № 7. С. 70-79.
WIDE-TYPE BROADCASTING ANTENNAS OVERCOMING CHU-HARRINGTON-FANO
Vladimir B. Belyansky,
Moscow, Russia, [email protected]
Evgenia D. Pronina,
Moscow, Russia, [email protected]
ABSTRACT
In MTUCI, wide-range antennas with distributed mismatch are proposed, the dimensions of which can be smaller than the dimensions of the antennas possessing the lowest possible Q-Harrington quality and Fano-compatible. Such antennas can be made on the basis of log-periodic or quasi-periodic antennas (LPA) using the frequency-dependent insulators (FDI) of the 1st and 2nd types proposed here. When using antenna type 1 type antenna, it is proposed to call such an antenna an antenna of the 1st type. Antennas of the 2nd type are suggested to be called antennas using the second type of FDI. The first type of frequency protection is band-pass frequency-dependent insulators, and the second type of protection is insulators transparent at low frequencies. The application of the FDI eliminates the "spreading" of the current cutoff effect when the size of the log-periodic antenna decreases. In antennas of the first type at any frequency within the operating frequency range, only one vibrator is resonant and the quality of its matching with the distributive feeder is determined only by the choice of the value of the lumped matching element and the degree of proximity of the geometric parameter x to unity, which in principle guarantees the realization. An arbitrarily small antenna with an arbitrarily wide band of frequencies. In antennas of the second type, the active region may include several interconnected blowing elements, which can increase the compactness of the device, but at the same time, the adjustment of the antenna system and its
stability becomes much more complicated. Since the publication purpose is to illustrate the possibility of creating ultra-miniature wide-band antennas, at this stage the characteristics of the most characteristic antennas with such properties as type 1 antennas are considered. The frequency characteristics of the FDI, the equivalent LPA scheme with FDI and the dependence of the geometric parameters of the antenna on the normalized length of the LPA arm are given. Also, the dependence of the SWR of the 1st type LPA on the ideal FDI given, and the SWR dependence on the steepness of the slopes of idealized FDI is estimated.
Keywords: logoperiodic antenna (LPA); subminiature LP; wide-range subminiature LPA; idealized frequency-dependent isolators (FDI); geometric parameters of the LPA; the Chu-Harrington limit with Fano agreement.
References
1. Benenson L. S. (Ed.). Sverkhshirokopolosnye antenny: Sbornik [Ultra-wideband antennas. Collection]. Moscow: Mir, 1964.
2. Erokhin G. A., Chernyshev O. V., Kozyrev N. D., Kocherzhevsky V. G. Antenno-fidernye ustroystva i rasprostranenie radiovoln [Antenna-feeder devices and propagation of radio waves]. Moscow: Goryachaya liniya - Telekom, 2004.
3. Chu L. J. Physical limitations of omni-directional antennas. Journal of Applied Physics. 1948. No. 19.
4. Belyansky V. B., Pimenov E. V. Elektricheskie i tekhnologicheskie osobennosti sverkhminiatyurnykh antenn [Electrodynamic and technological features of the subminiature antennas]. Tezisy dokladov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii professorsko-prepodavatel'skogo, nauchno-tekhnicheskogo i inzhenerno-tekhnicheskogo sostava [Abstracts of reports of the scientific and technical conference of the teaching and scientific, technical and engineering staff]. Book 1. Moscow: MTUCI, 2004.
5. Belyanskiy V. B., Kocherzhevsky V. G., Khudyakov K. N. O kriterii miniatyurizatsii antenn. [On the criterion of miniaturization of antennas]. Trudy Moskovskogo tekhnicheskogo universiteta svyasi i informatiki [Proceedings of the Moscow Technical University of Communication and Informatics]. 2008. Vol. 2.
6. Belyanskiy V. B. Is it possible to overcome the Chu-Harrington limit? T-Comm. 2013. No. 8. Pp. 24-27.
7. Belyanskiy V. B., Proshin A. B., Khudyakov K. N. Antennas LW, MW and HW bands of digital audio broadcasting of reduced dimensions. T-Comm. 2013. No. 8. Pp. 28-29.
8. Belyanskiy V. B., Pronina E. D. Malogabaritnye peredayushchie antennyu dlinnovolnovogo dia-pazona tsifrovogo standarta radioveshchaniya [Small-size transmitting antennas of the long-wave range of the digital broadcasting standard]. Trudy Severo-Kavkazskogo filiala Moskovskogo tekhnicheskogo universiteta svyasi i informatiki. Materialy VIII Mezhdunarodnoy molodezhnoy nauch-no-tekhnicheskoy konferentsii [Proceedings of the North Caucasian Branch of the Moscow Technical University of Communication and Informatics Materials of the VIII International Youth Scientific and Practical Conference]. 2015. Pp. 226-229.
9. Wheeler N. A. Fundamental limitations of small fntennas. Proceeding of the IRE. Dec.1947. Pp. 1479-1488.
10. Anikin K. V., Belyansky V. B. A compact loop antenna of diversity reception. Antennas. 2012. No. 1 (176). C. 9-16.
11. Anikin K. V., Belyansky V. B. A compact loop antenna of diversity reception. T-Comm. 2012. Vol. 6. No. 1. Pp. 20-22.
12. Grimes D. H., Grimes C. A. Microwave Opt. Tech / Lett. 2001. Vol. 28. No. 2. Pp. 172-177.
13. Belichenko V. P. Fundamental limits of the theory of antennas. Izvestiya vysshikh uchebnykh za-vedeniy. Fisika [News of higher educational institutions. Physics]. 2011. Vol. 55. No. 8/2. Pp. 57-59.
14. Slyusar V. 60 years of the theory of electrically small antennas. Electronics. The science. Technology. Business. 2006. No. 7. Pp. 10-19.
15. Slyusar V. Metamaterials in antenna technology: basic principles and results. Pervaya milya [The first Mile]. 2010. Issue 3-4.
16. Slyusar V. Metamaterials in antenna technology: history and basic principles. Elektronika: NTB [Electronics: NTB]. 2009. No. 7. Pp. 70-79.
Information about authors:
Belyansky V. B., PhD, assistant professor, Moscow technical university of communications and Informatics;
Pronina E. D., postgraduate student of Moscow technical university of communications and Informatics.
For citation: Belyansky V. B., Pronina E. D. Wide-type broadcasting antennas overcoming Chu-Har-rington-Fano. H&ES Research. 2017. Vol. 9. No. 4. Pp. 48-53. (In Russian)
