CC BY
189
УКОРОЧЕННЫЙ НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ПЕТЛЕВОЙ ВИБРАТОР
Гайнутдинов Тимур Аншарович,
доцент кафедры ТЭДиА,
Московский технический университет связи
и информатики, Москва, Россия, tedia@mtuci.ru
Кочержевский Вадим Георгиевич,
ст. преподаватель кафедры ТЭДиА, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, tedia@mtuci.ru
Гаранкина Наталья Ильинична,
инженер кафедры ТЭДиА,
Московский технический университет связи
и информатики, Москва, Россия, tedia@mtuci.ru
Ключевые слова: несимметричный заземленный петлевой вибратор, собирательное кольцо, широкополосное согласование, добротность антенны, параллельный контур.
Петлевой вибратор (вибратор Пистолькорса) является одной из самых распространенных вибраторных антенн диапазона УК. Удобство крепления к металлической опоре, высокое активное входное сопротивление, сравнительная широкополосность делают петлевой вибратор неотъемлемой частью приемных ТВ антенн и антенн базовых станций систем подвижной связи с ненаправленной диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости. Однако, большая область применения петлевого вибратора связана с использованием его в составе антенных решеток, когда из-за взаимного влияния между элементами решетки изначально высокое входное сопротивление вибратора (280-300 Ом) снижается до 50-100 Ом, что делает удобным подключение вибратора к стандартному коаксиальному кабелю. В качестве единичной антенны петлевые вибраторы используются редко, как из-за своих габаритов, так и из-за слишком высокого входного сопротивления, делающего проблематичным согласование вибратора. Целью данной работы является описание способов построения укороченных петлевых вибраторов, обладающих сравнительно небольшими габаритами и высоким качеством согласования в сравнительно узкой полосе частот при использовании простых согласующих схем.
Предлагаются модификации петлевых вибраторов вертикальной поляризации, заземленных на идеально проводящий экран, которых можно использовать в виде единичной антенны. Показано, что при небольшом изменении геометрии петлевого вибратора возможно построение антенны, высотой 0.1 9X0 (X0 - длина волны на центральной частоте) с естественной полосой согласования по КСВ не более 1.5, равной ±5.8% от центральной частоты, что вполне достаточно для обеспечения подвижной связи в системах с небольшим количеством абонентов и большой зоной покрытия, например систем ведомственной транспортной связи. Применение простой схемы согласования в виде параллельного резонансного контура позволяет для той же самой антенны уменьшить КСВ до 1.1 в той же самой полосе, что делает возможным использование антенны в системах персонального радиодоступа. Рассматривается более серьезная модификация петлевого вибратора, позволяющая уменьшить высоту антенны до 0.145X0. Такая антенна при наличии простой схемы согласования имеет полосу по КСВ не более 1.1 равной ±2.5%, что достаточно при построения систем цифрового радиовещания в СВ и с некоторыми оговорками ДВ диапазонах.
Для цитирования:
Гайнутдинов Т.А., Кочержевский В.Г., Гаранкина Н.И. Укороченный несимметричный петлевой вибратор // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №8. - С. 9-16.
For citation:
Gainutdinov T.A., Kocherzhewskiy V.G., Garankina N.I. The shortened folded monopole. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.8, pp. 9-16. (in Russian)
7T>
Т-Сотт Уо1.10. #8-2016
дением последовательного резонансного контура, поэтому эту область часто называют областью последовательного резонанса монополя (диполя). Второй резонанс у монополя наблюдается в области больших высот, вблизи 0.5?ь, В этой области реактивное сопротивление переходит через нуль из положительной области в отрицательную, т.е. из индуктивного превращается в емкостное, активное сопротивление весьма велико и может достигать единиц килоом. Такой характер поведения еопротивления близок к поведению параллельного резонансного контура с потерями, поэтому область называется областью параллельного резонанса монополя (диполя). Обратим внимание, что первым по частоте резонансом у монополя всегда является последовательный резонанс, а параллельный всегда вторым, наступающим при гораздо более высоких частотах. Совершенная иная картина поведения сопротивления в петлевого монополя. Первым резонансом у петлевого монополя является параллельный резонанс, который, как видно из рис.5 наступает на частоте 102 МГц 2.94 м), что при высоте нашего петлевого монополя 43 см соответствует электрической высоте 0.146?.. Второй резонанс у петлевого монополя является последовательным и как уже было сказано выше наступает на частоте 156 МГц, что соответствует 0.2236А. Отметим, что хотя работа в области первого, параллельного резонанса у петлевого монополя является крайне перспективной с практической точки зрения, так как позволяет создавать резонансные антенны весьма малой высоты, быстрый характер изменения аюивного сопротивления в области этого резонанса делает крайне затруднительным эффективное согласование антенны в мало-мальски приличной полосе частот, хотя бы измеряемой десятыми долями процента. Совершенно иная картина поведения активного сопротивления в области второго, последовательного резонанса, поэтому рассмотрим ее отдельно. На рисунке 7 приведен график частотного поведения входного сопротивления петлевого монополя в области частот от 151 до 161 МГц. что соответствует области последовательного резонанса.
без использования дополнительных согласующих схем, согласование на 150-0мный фидер. График зависимости КСВ от частоты такой антенны приведен на рис. 8.
Как видно из этого рисунка полоса согласования по КСВ не хуже 1.5 составляет практически от 146 до 166 МГц, т,е ±6.4% от центральной частоты. Для оценки потенциальной широкополосности резонансных антенн, а простые вибраторные антенны, безусловно, относятся к резонансным, принято [2] оценивать добротность антенны О, и связанную с ней потенциально достижимую полосу согласования по требуемому КСВ, достигаемую при практически нереализуемом согласующем устройстве из бесконечного числа звеньев [4].
КСВ
МГц
Рис. 8
Величина добротности О определяется путем аппроксимации частотного поведения входного сопротивления антенны частотным поведением эквивалентного резонансного контура с потерями (последовательного или параллельного в зависимости от типа резонанса, на котором работает антенна) и нахождение добротности этого контура, которая приравнивается к добротности антенны [5]. Предельно достижимая полоса согласования по КСВ не превышающий максимально допустимое значение КСВдоп тогда определяется как [4].
2Д/ я (1)
Л
КСВ,М11 +1
Oln-----
ксщт~\
Активное сопротивление монополя меняется медленно, реактивное практически линейно с переходом через нуль на резонансной частоте, при этом активное сопротивление существенно больше реактивного во всей полосе частот. Вследствие этого антенна имеет хорошее естественное, т.е.
Существенным недостатком такого подхода является то, что при аппроксимации частотного поведения входного сопротивления антенны резонансным контуром с потерями фактически пренебрегают изменением но частоте активной части входного сопротивления. При сравнительно больших КСВ„„„, например больше 2, это вполне допустимо, т.к скорость изменения реактивного сопротивления антенны существенна больше скорости изменения активного сопротивления и если удается свести реактивное сопротивление на входе согласующего устройства к пренебрежимо малой по сравнению с активным сопротивлением величине в требуемой полосе согласования, то задача будет успешно решена. Если же требования на КСВ,юп, достаточно жесткие (КС'В„,т <1.1..,1.2), что соответствует требованием на качество согласования передающих антенн цифрового радиовещания 15] и систем передачи цифровых данных [6|, то полученное значение О и соответственно предельной полосы согласова-
W
ния по заданному КСВ при пренебрежении частотной зависимости активной части входного сопротивления будут неверными, так как вклад рассогласования вносимого этой зависимостью будет соизмерим с величиной КСВ,)П„. Поэтому в данной работе для оценки степени ш и ро коп о л ос пост и антенны, т.е. величины добротности Q использовался следующий подход.
Как правило, при решении задач согласования величина КС В¿д,,, известна заранее, без связи с конкретной конструкцией антенны, поэтому корректное определение добротности можно производить только в той полосе частот, в которой активное сопротивление меняется таким образом, чтобы даже при полной компенсации реактивного сопротивления, величина КСВ в этой полосе не превышала КСВа,т. Например, если KCBikw, = 2, а сопротивление с которым стремятся согласовать антенну равно 50 Ом, то при определении добротности необходимо выбрать такую полосу частот — 2AfR, в пределах которой RBX меняется от 25 до 100 Ом, Естественно, зависимость реактивного сопротивления в пределах этой полосы должна носить характер, аналогичный частотному поведению реактивного сопротивления колебательного контура. Если же полосы по допустимому характеру изменения активного и реактивного сопротивления не совпадают, для корректного определения добротности должна быть выбрана меньшая полоса. После определения этой полосы, в ее пределах производится аппроксимация частотного поведения входного сопротивления антенны входным сопротивлением колебательного контура [5J, находятся величины активного сопротивления (проводимости), индуктивности и емкости, определяются величины Q и предельной полосы согласования 2Af. Такой подход, помимо корректного определения О, сразу отбраковывать с точки зрения возможности простого согласования с использованием только реактивных элементов, конструкции антенн, в которых требуемая полоса согласования 2Af,p меньше 2AfR. Если предполагается использование схемы согласования с активными элементами (схема с потерями) [5], такое определение Q позволяет точнее определять КПД схемы согласования.
Поскольку в данной работе рассматриваются проволочные антенны, которые предполагаются к использования в системах цифровой передачи (цифровое радиовещание и системы персонального доступа), то величина КСВ^ выбиралась равной 1.1 и добротности антенн, определялись по полосе частот, в которых R^ менялось от Zs,/1.1 до 1.1 Zb, где Z„ - волновое сопротивление фидера. Отметим, что в принципе, поскольку задача согласования чисто активной, постоянной по частоте нагрузки решена [2], то в принципе вместо величины ZB можно брать любую, удобную для разработчика антенны положительную величину R, Естественно, тогда в будущую схему согласования должна входить схема согласования чисто активного сопротивления R с ZB, что вряд ли положительно скажется на цене всего устройства.
Добротность петлевого монополя, изображенного на рис. 3 при таком подходе к определению Q равняется 3.217 (КСВ„П„ = 1.1). Дальнейшие исследования проводились с целью модифицировать геометрию известной антенны [2] -петлевого монополя с целью получения оригинальных конструкций меньшей высоты и ZH=50 Ом, не сильно проиграв при этом по добротности антенны при том же самом KCBôo„.
Простейшая модификация петлевого монополя, предла-
гаемая авторами, изображена на рис. 9. Антенна состоит из трех длинных вертикальных проводов, располагаемых в одной плоскости. К двум крайним проводам, через собирательное кольцо подводится питание, центральный провод заземлен. Высота проводов 37 см (0.1924Х), сверху провода закорочены коротким горизонтальным проводом, длинной 12 см (0.06/.). Все провода выполнены из идеального металла, толщина проводов одинакова и равна 5 мм.
Z/N
Рис.9
По сути, антенна отличается от известного петлевого монополя, наличием второго разрезного провода и собирательным кольцом, обеспечивающим практически синфазное возбуждение обоих разрезных проводов, так как длина кольца много меньше X. В дальнейшем эту антенну будем называть сдвоенным петлевым монополем.
График зависимости входного сопротивления сдвоенного петлевого монополя от частоты в диапазоне от 146 МГц до 166 МГц приведен на рис. 10.
Антенна обладает естественным согласованием на 50-Омный фидер по КСВ не хуже 1.5 в полосе от 147 до 166 МГц. Картина зависимости естественного КСВ от частоты приведена на рис. 11.
Ом
я.
Хш
МГц
Рис. 10
T-Comm Vol. 10. #8-2016
Т-Сотт Уо1.10. #8-2016
Минимальный КУ в горизонтальной плоскости при бесконечном проводящем экране равен у сдвоенного петлевого монополя 4.75 дБ, у укороченного, сдвоенного петлевого монополя 4.68 дБ. Как видно из этих величин, разработанные антенны не сильно проигрывают обычно монополю, настроенному в первый резонанс, КУ которого равен 5 дБ.
Литература
1. Ерохчн Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д Кочерлсевский В. Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - М.: Горячая линия Телеком, 2004. -491 с.
2. Сазонов Д.М. Устройства СВЧ и антенны. - М.: Высшая школа, 1988.-432 с.
3. http; //pro-spec. ru/cata I og/rad i osvy a^/anteny/lokomot i vny e-antenny / pa-156.html, Дата доступа 16.03.2016
4. P. Фано. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов. - М.: Сов. радио, 1965. - 72 с.
5. Варламов О.В., Горегляд В.Д. Расширение полосы согласования передающих вещательных антенн диапазона ДВ для работы в стандарте DRM // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, -2013, № 1,-С. 18-22.
6. И. Шахнович. Современные технологии беспроводной связи. - М.: Техносфера, 2006. - 288 с.
7. Гаинутдинов Т,А..Гаранкина Н.И,,Кочержевсккй В.Г.. Гусева А.С. Простые широкополосные согласующие устройства длинноволновых радиовещательных антенн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.-2014, № 1 i.-C. 18-22.
THE SHORTENED FOLDED MONOPOLE
Timur A. Gainutdinov, docent, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI Vadim. G. Kocherzhewskiy, senior lecturer Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI Natalya I. Garankina, engineer, Cathedra of Technical Electrodynamics and Antennas, MTUCI,
Moscow, Russia, tedia@mtuci.ru
Abstract. The folded dipole (Pistolkors's vibrator) is one of the most widespread wire antennas of VHF range. Convenience of fastening to a metal support, high real input impedance, a comparative wideband do the folded dipole constituent part of receive TV antennas and base stations antennas in mobile communication systems with omnidirectional pattern in the horizontal plane. The big scope of the folded dipoles have be used as a constituent part of passive antenna array when because of mutual coupling between array elements initially high input impedance of the dipole (280-300 Ohms) decreases to 50-100 Ohms that does convenient connection of the dipole to a standard coaxial cable. As the stand-alone antenna folded dipoles are used seldom, both because of the dimensions, and because of too high input resistance. This paper purpose is the description of the creation ways of the shortened folded dipoles which possess, notwithstanding rather small dimensions, high quality of matching in sufficient width of the frequency band (WFB) when using the simple matching circuits. Modifications of the folded monopole mounted perpendicularly to ground plane which can be used in the form of the standalone radiator are offered. It is shown that by little changing of the folded dipole geometry creating of the antenna is possible with height
0.19.(X0 - wavelength at the central frequency) and with a natural WFB with VSWR < 1.5, equal ±5.8% of the central frequency that it is quite enough for providing mobile communication in systems with a small amount of subscribers and a big cover zone, for example systems of departmental transport communication. Using the simple matching scheme in the form of a parallel resonant allows to reduce VSWR to 1.1 in the same WFB. It does possible using such antennas in systems of a personal radio access. Also more serious modification of the folded monopole that allows to reduce antenna height up to 0.145X0 is considered. Such antenna in the presence of the simple matching scheme has a WFB equal ±2.5% that is enough for creation of systems of digital broadcasting in MW and with some reservations of LW range.
Keywords: shortened folded monopole, collective ring, broadband matching, antenna Q-factor, a parallel resonant contour. References
1. Erokhin G.A. Chernyshev O.V. et al. Antenna Devices and Radio wave Propagation. Moscow Hot Line Telecom, 2007, 491 p. (in Russian)
2. Sazonov DM. SHF devices and antennas. Moscow. The higher school, pp. 1988. - 432. (in Russian)
3. http://pro-spec.ru/catalog/radiosvyaz/anteny/lokomotivnye-antenny/pa-l56.html. Date of access 3/16/2016. (in Russian)
4. R. Fano. Theoretical restrictions of a strip of coordination of arbitrary impedances. "Soviet radio", Moscow, 1965. 72 p. (in Russian)
5. Varlamov O.V., Goreglyad V.D. Bandwidth Extension LW Transmitting Broadcasting Antenna Systems for Operating in DRM Mode. T-Comm, 2013, No. 1, pp. 18-23. (in Russian)
6. I. Shakhnovich. Modern technologies of a wireless communication. Moscow: Technosphere, 2006. 288 p. (in Russian)
7. Gainutdinov T.A., Garankina N.I., Kocherzhewskiy V.G. Simple broadband coordinating devices of long-wave broadcasting antennas. T-Comm, 2014, No. 11, pp. 18-22. (in Russian)
Частота МГ ц Рис. 19
