CC BY
32
DOI 10.36622/^Ти.2021Л7.1.009 УДК 621.396
УЛУЧШЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СВОЙСТВ АНТЕННЫ УДА-ЯГИ
С.М. Фёдоров1'2, Е.А. Ищенко1, И.А. Зеленин1, Е.В. Папина1, А.В. Бунина1, Л.В. Сопина1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается антенна Уда-Яги, которая предназначена для приема сигнала наземного телевещания в 57 частотном канале. Самыми важными характеристиками для антенны Уда-Яги являются коэффициент направленного действия, передне-заднее отношение (коэффициент защитного действия), при этом данные характеристики сильно зависят от числа директоров, применяемых в конструкции антенны. На основе произведенного электродинамического моделирования было определено, как изменятся характеристики диаграмм направленности антенны на частоте 762 МГц при применении различного числа директоров - от 1 (3-элементная антенна Уда-Яги) до 12 (14-элементная антенна Уда-Яги), при этом определено оптимальное количество директоров для ситуации, когда требуется достижение максимальной помехозащищенности (максимальное значение передне-заднего отношения). Приводятся диаграммы направленности при различном числе директоров на частоте 762 МГц, графики коэффициентов защитного действия (ПЗО) от числа директоров и от частоты, таблицы со сравнительными характеристиками диаграмм направленности. Моделирование производилось с использованием метода моментов, так как при его применении достигаются высокая скорость расчетов, а также высокая точность результатов. При моделировании антенна имела один рефлектор и активный элемент в виде полуволнового диполя
Ключевые слова: антенна Уда-Яги, коэффициент направленного действия, передне-заднее отношение
Введение
Антенна Уда-Яги (Волновой канал) является одной из самых распространённых для приема сигналов телевизионного вещания [1]. На территории Воронежской области одним из используемых в телевещании частотных диапазонов выступает 57 частотный канал: А/57 = 758 — 766 МГц. Так как антенна Уда-Яги является направленной, то ее основными параметрами являются - коэффициент направленного действия (КНД) и передне-заднее отношение (ПЗО).
При проектировании данного типа антенн очень важно обеспечить оптимальные характеристики антенны при сохранении оптимальных геометрических размеров.
Геометрические параметры исследуемой антенны Уда-Яги
Антенная система Уда-Яги представляет собой систему из металлических проводящих прутьев, причем один выполняет роль рефлектора - обеспечивает блокировку излучения в обратном направлении; следом идет активный элемент, который представляет собой или полуволновой диполь или петлевой диполь; далее
идет система из директоров, которые обеспечивают требуемый уровень КНД в направлении основного излучения. Вид исследуемой антенны приведен на рис. 1.
а)
© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Зеленин И.А., Папина Е.В., Бунина А.В., Сопина Л.В., 2021
б)
Рис. 1. Вид антенны Уда-Яги: а) вид сбоку; б) вид сверху
В процессе исследования моделировались антенны, которые имеют один рефлектор длиной 193,2 мм; активный элемент длиной 184,9 мм, при этом число директоров изменялось от 1 (3-элементная антенна) до 12 (14-элементная антенна) (рис. 2), что позволит произвести сравнение значений КНД и ПЗО.
Рис. 2. Сравнение размеров антенн Уда-Яги при использовании 1 директора (верхняя антенна) и при использовании 12 директоров (нижняя антенна)
Моделирование производилось методом моментов, так как это позволяет обеспечить высокую скорость моделирования и высокую точность результатов.
Зависимость характеристик антенны Уда-Яги от числа директоров
При моделировании особый акцент был уделен диаграмме направленности на частоте 762 МГц, так как она является центральным значением 57 частотного канала телевизионного вещания. По полученным результатам - диаграммы направленности при разном количестве директоров приведены на рис. 3, а значения ПЗО - рис. 4. Для удобства анализа итоговые данные приведены в таблице (частота анализа диаграмм направленности 762 МГц).
Число директоров 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
КНД, раз 8,95 9,67 11,9 13,1 14,6 15,8 18 20,2 21,8 24,5 27,7 29,9
КНД, дБ 9,52 9,86 10,8 11,2 11,7 12 12,6 13 13,4 13,9 14,4 14,8
Ширина гл. лепестка (3 дБ), ° 73 67,1 54,3 51,4 46,6 43,4 42,3 39,5 37,8 36,7 35,1 33,6
Уровень боковых лепестков, дБ -9,5 -12,2 -8,5 -16,4 -8,5 -12,8 -14,1 -13,9 -13,3 -14 -15 -15,4
ПЗО, дБ 9,49 15,17 10,26 28,08 12,12 17,22 19,74 14,30 21,09 22,30 16,24 18,8
Зависимость характеристик антенны Уда-Яги от числа директоров
Рис. 3. Диаграммы направленности исследуемой антенны Уда-Яги при разном числе директоров (линейный масштаб),
частота построения - 762 МГц, (р = 90° 65
FBR Compare
30
25
20
15
10
О 600
J \
*
* Â y
■ mSJ r X. v^/ -Ач\ s <>- -VVA ______________________________
/ Ж/у êgfïr /
iff/./ w \\ / \ Ж
V
-Front-to-back ratio -Frorit-to-back ratio
■ Front-to-back ratio
■ Front-to-back ratio
- Front-to-back ratio
- Front-to-back ratio
■ Front-to-back ratio
■ Front-to-back ratio
- Front-to-back ratio
■ Front-to-back ratio
- Front-to-back ratio
- Front-to-back ratio
ove...3 El ove...4 El ove...5 El
ove...6 El ove...7 El ove...8 El ove ...9 El OV...10 El ov.,,11 El ov.,.12 El ov.,,13 El ov.,.14 El
650
700
750 800
Frequency / MHz
850
900
950
Рис. 4. Сравнение значений ПЗО при разном количестве директоров
По полученным результатам видно, что наибольшим передне-задним отношением обладает антенна с 4 директорами (6-элементная антенна Уда-Яги); также заметно, что при увеличении числа директоров происходит сужение ширины главного лепестка, слишком узкий главный лепесток приводит к тому, что настройка антенны должна быть более точной; при увеличении числа директоров происходит увеличение КНД антенны, при этом наибольшее изменение наблюдается, когда происходит увеличение числа директоров с 2 до 3 (0,94 дБ).
Заключение
В статье была рассмотрена антенна Уда-Яги и определена зависимость ее характеристик от числа директоров. Исследование произ-
водилось для частот наземного телевещания на территории Воронежской области (57 частотный канал). По полученным результатам видно, что наиболее оптимальной антенной будет выступать 6-элементная система (1 рефлектор, 1 активный элемент, 4 директора), при этом если не стоит задача обеспечения высокой защищенности от приема сигнала на заднем лепестке, а акцент делается на максимальных значениях КНД - возможно увеличение числа директоров, однако данное действие приводит к серьезному увеличению размеров антенны.
Литература
1. Constantine A. Balanis, Antenna theory analysis and design, fourth edition, John Wiley & Sons: Canada, 2016, 1072 p.
Поступила 28.11.2020; принята к публикации 17.02.2021 Информация об авторах
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Зеленин Иван Алексеевич - старший преподаватель кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29 Папина Елизавета Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: cool.pykhtina@mail.ru
Бунина Алина Владимировна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: Alina.bunina@list.ru
Сопина Лилия Вячеславовна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: sopina1803@gmail.com
IMPROVING THE VARIOUS PROPERTIES OF THE UDA-YAGI ANTENNA S.M. Fedorov1,2, E.A. Ishchenko1, I.A. Zelenin1, E.V. Papina1, A.V. Bunina1, L.V. Sopina1
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article considers the Uda-Yagi antenna, which is designed to receive a terrestrial television signal in a 57-frequency channel. The most important characteristics for an Uda-Yagi antenna are directivity, front-to-back ratio, and these characteristics are highly dependent on the number of directors used in the antenna design. On the basis of the electrodynamic simulation, we determined how the characteristics of the antenna directivity patterns at a frequency of 762 MHz will change when using a different number of directors - from 1 (3-element Uda-Yagi antenna) to 12 (14-element Uda-Yagi antenna), at the same time, we determined the optimal number of directors for the situation when the achievement of maximum noise immunity is required (the maximum value of the front-to-back ratio). The article gives directivity patterns for different numbers of directors at a frequency of 762 MHz, dependencies of directivity coefficients on the number of directors and on the frequency, tables with comparative characteristics of directivity patterns. We carried out the simulation using the method of moments, since it achieves a high speed of calculations, as well as high accuracy of results. During simulation, the antenna had one reflector and an active element in the form of a half-wave dipole
Key words: Uda-Yagi dipole array, directivity, front-to-back ratio
References
1. Balanis C.A. "Antenna theory analysis and design", fourth edition, Canada: John Wiley & Sons, 2016, 1072 p.
Submitted 28.11.2020; revised 17.02.2021
Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechnaya str., Voronezh 394026, Russia), tel.: +7(473)221-00-69, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Ivan A. Zelenin, Assistant Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29
Elizaveta V. Papina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: cool.pykhtina@mail.ru
Alina V. Bunina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: Alina.bunina@list.ru
Liliya V. Sopina, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: sopina1803@gmail.com
