Лекция 7 Исследование характеристик излучения тороидальными антенно-фидерными устройствами

Рассматриваемая ниже тороидальная антенна суммирует наилучшие качества штыревой и рамочной антенны и полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к многоканальным когерентным линиям радиосвязи.

Размеры электрически малой антен­ны по определению много меньше дли­ны волны l в свободном пространстве. Проблема конструирования таких ан­тенн состоит в том, что с уменьшением размеров излучающей системы быстро уменьшается эффективность излуче­ния. Возникают трудности согласова­ния нерезонансных антенн с источника­ми (приемниками).

Уменьшить физические размеры ан­тенны при сохранении электрических (волновых) размеров удается при заме­не прямолинейных проводников спи­ральными изогнутыми в виде винтовой линии. Такие структуры называют замедляющими.

Скорость рас­пространения волны вдоль оси спирали меньше скорости света, поэтому длина волны l_s в такой структуре при той же частоте меньше l. Физическую длину резонансной антенны таким способом можно сократить в десятки раз. Спи­ральные антенны поперечного (перпен­дикулярно оси) излучения широко ис­пользуются в портативных и стационар­ных радиосредствах.

Если линейный вибратор свернуть в замкнутое кольцо, получим рамку (рис. 16 а). Распределение электричес­кого тока I _э в электрически малой рамке можно считать равномерным, поэтому она будет излучать равномерно по всем азимутальным направлениям, но только с горизонтальной поляризацией (рис. 16 б), как элементарный верти­кальный магнитный вибратор. При не­ равномерном распределении тока диа­грамма не будет такой симметричной. Когда длина периметра рамки кратна целому числу полуволн, в такой антенне возможны резонансы. Так, в антенне типа "квадрат" на ее периметре уклады­ваются две полуволны.

На декаметровых волнах, ввиду особенностей их рас­пространения, желательная верти­кальная поляризация. Уже в этом диапазоне проблема сокращения вертикальных размеров антенн стоит достаточно остро. Так четвертьволновый вертикаль­ный вибратор диапазона 1МГц должен быть высотой около 75 м! Однако совсем не обя­зательно в качестве источника излуче­ния использовать электрический ток. В соответствии с принципом взаимного обращения, если равно­мерно распределенный кольцевой эле­ктрический ток (рис.16 а) заменить маг­нитным током I_м (поскольку в природе нет магнитных зарядов, это будет фик­тивный магнитный ток, плотность кото­рого пропорциональна скорости изме­нения магнитной индукции), то в поле излучения векторы электрической и магнитной компонент поменяются местами. Мы получим источник, экви­валентный по диаграмме направленно­сти элементарному электрическому ви­братору, в нашем случае вертикальному (рис.17).

Кольцевой магнитный ток можно получить в тороидальной спиральной антенне (Toroidal Helical Antenna, THA), которая образуется в результате свер­тывания линейной спирали в замкну­тое кольцо. Форма витка спирали мо­жет быть произвольной (окружность, прямоугольник и т. д.). Нарис. 18 при­веден эскиз тороида с квадратной формой сечения и указаны обозначе­ния размеров.

Рис. 18.

Нарис. 19, а показан пример постро­ения 7-витковой тороидальной антен­ны. В такой системе также возможны резонансы, когда по оси тороида укла­дывается целое число полуволн маг­нитного тока. Но в спирали длина волны меньше, поэтому резонансная THA мо­жет иметь значительно меньшие разме­ры, чем резонансная рамка из линейно­го провода. На рис. 19, б, в и г даны пространст­венные диаграммы направленности (ДН) THA, как по отдельным составляю­щим электрического поля (Е _q, Е _j), так и по суммарному полю Е _S.

Особенностью ре­зонансных ТНА с одной спиральной об­моткой является то, что в ней, помимо создающей тороидальное магнитное поле вихревой составляющей электри­ческого тока спирали, всегда есть торо­идальная составляющая (вдоль оси то­роида), из-за которой поле излучения содержит не только вертикальную Е _q, но и значительную горизонтальную Е_j компоненту электрического поля. Для компенсации тороидальной со­ставляющей электрического тока дела­ют две одинаковые обмотки, намотан­ные в разные стороны (левую и пра­вую), и включают их противофазно ( рис. 20 а). В местах пересечения об­мотки не соединяются.

Мы получили то­роидальную спиральную антенну со встречными спиральными обмотками (Contrawound Toroidal Helical Antenna - CTHA). Магнитные поля в полости торо­ида от обеих обмоток складываются. На диаграммах рис. 20 б, в и г видно, что доля составляющей Е _q в поле излучения заметно возросла, минимумы суммар­ной диаграммы вдоль оси у стали ме­нее глубокими, однако мы опять не по­лучили общую диаграмму, как на рис. 17. Это объясняется тем, что магнитное по­ле в полости тороида распределено вдоль оси не равномерно, а в соответ­ствии с распределением амплитуд сто­ячей волны тока. Как преодолевают это препятствие, покажем ниже, а сейчас рассмотрим некоторые интересные свойства уже описанных антенн.

Для сравнения втаблице1приведены расчетные значения резо­нансных частот (в мегагерцах) и резо­нансных сопротивлений (в килоомах) для этой антенны (ТНА) и для антенны СТНА с такими же параметрами.

№резонансов
fрез для ТНА	6,75	14,8	20,35	27,61	33,4
Rрез для ТНА		0,018		0,0049
fрез для СТНА	4,68	9,8	15,08	20,65	26,75
Rрез для СТНА		0,0013		0,0016

Характер чередования резонансов у СТНА такой же, как у ТНА, однако при одинаковых параметрах резо­нансные частоты СТНА ниже; это можно объяснить влиянием емкости между обмотками. Заметим, что у обеих антенн нет строгой кратности резонансных частот.

Основные параметры тороидаль­ных антенн — это размеры и количе­ство витков N. Мы выбрали для расче­тов и моделирования форму сечения в виде квадрата со стороной h. Если пренебречь влиянием среды внутри и вне тороида, то, задавшись часто­той 1-го резонанса f ₁ (МГц) и радиу­сом а (м), можно рассчитать размер h (м) рассмотренных выше антенн по формулам:

для ТНА:

h = -0.00045742 * 0.118235 а - 0,000737136 а ³ f ₁² + 20,2869exp(-0,3 N)/ f ₁+ +2,5712/ f ₁;

для СТНА:

h = -0.0208635 - 0,168786а - 0,000669097 a³f₁² + 21,0524exp(-0.35N)/f₁ +

+ 1,64826/ f ₁.

Формулы получены с помощью рег­рессионного анализа по результатам ком­пьютерного моделирования для диаметра провода 1,3 мм размеров 0,6 м £ а £ 4 м, 0,5м £ h £ 4м, причем 0,3 £ h / a £ 1,3, и ди­апазона частот 0,7 МГц £ f ₁£ 23 МГц. Среднеквадратическая погрешность при указанных условиях около 0,03 м.

Возможен масштабный пересчет и для других частот (все размеры изменяют­ся пропорционально изменению длины волны).

Интересной особенностью СТНА яв­ляется возможность получения (только для отдельных комбинаций парамет­ров), близкой к изотропной, диаграм­мы направленности (рис. 22). Эта диа­грамма получена, в частности, при частоте 70 МГц для антенны с параме­трами N = 5, а = 0,2 м и h = 0,27 м в ус­ловиях свободного пространства.

Как правило, КПД быстро уменьшается при уменьшении основ­ных размеров антенны и увеличении ко­личества витков. Наибольший КПД у ТНА — в области между 2-м и 3-м резонансами, у СТНА - при 3-м и 5-м резонансах, а максимальные его значения ниже, чем у ТНА. Для антенн обоих ти­пов характерны глубокие минимумы КПД при всех четных резонансах выше второго. Это объясняется неблагопри­ятным для эффективного излучения распределением тока в обмотках.

Электрически малые антенны вооб­ще имеют низкий КПД и поэтому очень чувствительны к антенному эффекту фидера. Их имеет смысл использовать на подвижных объектах с очень корот­ким фидером или вообще без него. Эл­липтичность поляризации тороидаль­ных антенн полезна, например, для обеспечения бесперебойной связи в подвижных системах, в частности, для устойчивого приема программ УКВ ЧМ радиовещания.

Исторически развитие тороидаль­ных антенн связано с желанием умень­шить вертикальный размер излучаю­щей системы с вертикальной поляриза­цией и круговой ДН. Как было отмече­но, в обычной антенне СТНА с одним источником возбуждения не удается получить равномерного распределений магнитного тока вдоль оси тороида.

Рис. 25.

На рис. 25 а показаны пересечения вит­ков левой и правой обмоток на всей на­ружной поверхности тороида в развер­нутом виде, а на рис. 26 (кривая 1) - распределение напряженности магнит­ного поля вдоль оси тороида для 8-вит-ковой обычной СТНА при f ₃ = 27 МГц.

Рис. 26.

Одним из способов получить близкое к равномерному распределение маг­нитного тока состоит в разбиении об­моток на секции, в каждой из которых направления (левое и правое) обеих об­моток изменяются на противополож­ные соседним (рис. 25 б). В местах раз­биения обмоток на секции устанавлива­ются клеммы для подключения допол­нительных источников возбуждения. В данном случае надо вместо одного подключить четыре одинаковых син­фазных источника. Распределение маг­нитного тока при этом (рис. 26 б) полу­чается без изменений знака, хотя и с небольшими пульсациями.

Такое решение позволило в широкой полосе частот получить ДН, не отличаю­щуюся от приведенной на рис. 17. Рас­четный КПД секционированной СТНА в данном случае на частоте 36 МГц ока­зался примерно вдвое больше, чем у несекционированной СТНА (59 % про­тив 29%).

В заключение отметим важнейшие достоинства и недостатки рассмот­ренных антенн и возможности их при­менения.

Общие плюсы - уменьшение верти­кального размера антенн (за счет уве­личения горизонтальных размеров), отсутствие требований к противовесам и заземлению.

В сущности, ТНА представляет со­бой рамку, изготовленную из спираль­ного проводника, что позволило сокра­тить физические размеры резонансной антенны. Такая антенна интересна уже тем, что имеет эллиптическую поляри­зацию, а зависимость ДН от формы, окружения и асимметрии подключе­ния позволяет широко и разнообразно использовать такие антенны в связ­ной, радиовещательной, телеметри­ческой и другой портативной радиоап­паратуре.

Наличие второй, встречной обмотки у СТНА, вообще говоря, ухудшает усло­вия излучения, отсюда и ниже эффек­тивность. Однако у этих антенн лучше выражена эллиптичность поляризации, что важно для подвижных систем связи в условиях многолучевости. Изотроп­ная ДН несекционированной СТНА сама по себе вряд ли реа­лизуема на практи­ке ввиду сильного влияния окружения, а вот на входной импеданс СТНА окру­жающие предметы (и, в частности, про­водящие поверхно­сти) влияют слабо. Несекционирован­ные СТНА могут найти применение в портативных уст­ройствах низовой радиосвязи и пер­сонального радиовызова, в системах сотовой связи и GPS.

Основная об­ласть применения тороидальных ан­тенн, эквивалент­ных вертикальному вибратору (с верти­кальной поляриза­цией и равномерной ДН в горизонталь­ной плоскости), - волны, для которых проводимость земли (или воды) достаточно велика.

Минусы СТНА - сложная технология изготовления. При секционировании антенн возникают дополнительные хло­поты с подключением нескольких точек питания.

Общие минусы - при уменьшении размеров резко уменьшается КПД ан­тенны, а при попытках его улучшить (за счет увеличения толщины и подбора материала провода, повышения качест­ва диэлектриков) уменьшается полоса пропускания. Проблемы с согласовани­ем при перестройке с одной частоты на другую затрудняют использование то­роидальных антенн в диапазоне частот.

Достаточно подробное описание тороидальных антенн и результатов исследований её характеристик можно найти в работах [1-6]. В работе [7] предло­жено несколько новых способов изго­товления излучателя с вертикальной поляризацией на основе тороидаль­ных структур. В [8] предложен универ­сальный алгоритм синтеза антенн из сегментов с электрическими и магнит­ными токами.

Дата добавления: 2014-01-07