Существующие турникетные антенны на сегодняшний день не удовлетворяют характеристикам, предъявляемые к таким антеннам. Они имеют большие габаритные размеры, что увеличивает их парусность и массу, большую неравномерность диаграммы направленности (ДН) и узкую полосу согласования. Такие антенны не технологичны и очень сложны в изготовлении.
Реализация проекта частотно-территориального плана развёртывания покрытия цифрового телевизионного вещания требует замены существующих передающих антенн на более современные антенны. Потребность в новых передающих антеннах непосредственно в РФ составляет несколько тысяч штук. Такие антенны должны обеспечивать передачу сигналов нескольких передатчиков, работающих на разных частотных каналах и перекрывать один или несколько диапазонов телевещания. При этом, как правило, должна обеспечиваться круговая диаграмма направленности. Другим важным параметром для антенны является высокий уровень согласования антенны с фидером в широкой полосе частот.
Принципиальные технические вопросы построения антенн с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости были решены ещё в 30-х годах прошлого столетия. Реализация этих принципов сводилась к тому, что вибраторы располагались либо нормально к оси опоры и питались токами, сдвинутыми относительно друг друга по фазе на угол, равный геометрическому углу между вибраторами, либо располагались параллельно стороне многоугольника (по периметру опоры).
Реализация таких принципов построения передающих антенн была успешно применена в метровом диапазоне частот, но в дециметровом диапазоне частот эти принципы труднореализуемы, т.к. в этом случае необходимо, чтобы диаметр опоры был небольшой, что существенно снижает прочность конструкции антенны.
Для реализации вещания в дециметровом диапазоне частот применяют следующую конструкцию антенны. Антенны представляет собой 4, 6 или 8 этажную антенную решётку, основание такой антенны представляет собой четырёхугольную ферму, с каждой стороны которой располагают панельные антенны. Возбуждая каждую панель с необходимым сдвигом по фазе, получают круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но с очень плохой неравномерностью и с большими по уровню боковыми лепестками в вертикальной плоскости. Также такая антенны имеет очень большие габаритные размеры, большую массу, сложную конструкцию и сложна в эксплуатации.
Так же применяют антенны, где вибраторы располагаются по кругу опоры. Основным недостатком является то, что такие антенны имеют узкий диапазон согласование антенны с фидером и необходимо настраивать каждую антенну на определённый канал.
Эти примеры, описанные выше, показывают, что предложенные технические решения оказались недостаточными для решения задач осуществления перехода к многопрограммному телевизионному вещанию.
Потребовались новые технические решения, которые позволили бы осуществить цифровое телевизионное вещание в широком диапазоне частот. В связи с этим представляет интерес новый подход к построению передающих антенн в дециметровом диапазоне частот, предложенный в [60]. Основой подхода является то, что несущие опоры антенны вынесены по периметры антенны и могут быть использованы для укладки кабелей. Учтена дифракция электромагнитных волн на металлической полосе, что позволяет получить круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости с высокой равномерностью. При этом антенную решётку оказывается возможным построить из двух металлических пластин, расположенных перпендикулярно друг другу. Для защиты антенны от атмосферных воздействий предназначен обтекатель, выполненный из стекловолокна, который не влияет на диаграмму направленности.
Обзор антенн для вещания в дециметровом диапазоне частот. Одним из известных вариантов турникетной антенны содержит два взаимно-перпендикулярных горизонтальных вибратора, питаемых со сдвигом по фазе в 90° ([50], [59]). Такая турникетная антенна имеет значительный уровень излучения под большими углами места, что делает их не пригодными в качестве одиночных излучателей для радиовещания и телевидения в диапазоне ультракоротких волн. Такая турникетная антенна имеет недостатки, обусловленные выносом плеч вибратора относительно вертикальной оси антенны:
— большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±-1.5дБ;
— при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенны;
— низкий коэффициент направленного действия антенны;
— высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,.
— сложна система питания антенны.
Другая турникетная антенна ([18], [19]), содержит вертикальную опору в виде трубы, первую, вторую, третью и четвёртую плоские прямоугольные пластины, первый и второй фидеры, каждый из которых выполнен из двух коаксиальных кабелей, делителя мощности и крепёжных деталей. Первая и вторая пластины расположены в первой плоскости, проходящей через ось трубы, по разные стороны от трубы так, что одна из кромок параллельна оси трубы и верхняя угловая точка пластины соединена с трубой с образованием первой и второй короткозамкнутой щелевой линии передачи. Первая и вторая пластина, по существу, служат плечами первого плоскостного вибратора, запитанного первой и второй щелевыми линиями передачи. Третья и четвёртая пластины расположены во второй плоскости, проходящей через ось трубы перпендикулярно к первой плоскости. Третья и четвёртая пластины совместно с трубой образуют третью и четвёртую щелевую линию передачи, питающую второй плоскостной вибратор, образованный третьей и четвёртой пластинами. Каждая щелевая линия передачи возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, расположенного внутри трубы. При этом внешний проводник кабеля гальванически соединён с трубой, а центральный проводник через отверстие в трубе выведен наружу и гальванически соединён с кромкой пластины в нижней угловой точке пластины. Соседние щелевые линии передачи запитаны с 90 градусным сдвигом по фазе относительно друг друга.
Такие антенны применялись в нашей стране на первых телевизионных станциях. Такая турникетная антенна также имеет недостатки:
— большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±-1.5дБ [27];
— при построении антенны в дециметровом диапазоне волн диаметр опоры, при его разумном электрическом размере, имеет небольшую величину и поэтому опора не обеспечивает необходимую прочность и жёсткость антенныприменение опор большого диаметра приводит к недопустимой неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Указанные выше недостатки обусловлены тем, что опора находится между щелевыми линиямимал коэффициент использования поверхности антенны из-за неравномерного распределения тока по поверхности и, как следствие, мал коэффициент направленного действия антенны;
— высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,.
— сложна система питания.
Известна ещё одна турникетная антенна, предложенная в [11]. Антенна состоит из опоры, четыре плоских пластины, четырёх перемычек, системы питания. Четыре плоских пластины расположены радиально с интервалом 90° вокруг проводящей трубчатой мачты, служащей опорой антенны. Одна кромка каждой пластины простирается параллельно мачте на близком расстоянии от неё. Эта кромка с помощью перемычек гальванически соединена в своих крайней верхней и крайней нижней точках с мачтой. Кромка каждой из пластин, расположенная вдали от мачты, выполнена с V-образным вырезом. В результате ширина пластины изменяется от одной восьмой длины волны в центре пластины до одной четвёртой длины волны на её концах. Две пластины, расположенные в одной плоскости представляют собой диполь Ж-образной формы. Каждое плечо возбуждается коаксиальным кабелем. Диполи турникетной антенны [18], [19] имеют больший коэффициент направленного действия, чем диполи турникетной антенны описанной в [50], [59].
Однако:
— коэффициент использования поверхности антенны меньше, чем это можно получить, например, при равномерном распределении тока вдоль одной координаты и косинусоидальном распределении тока вдоль другой координаты на поверхности антенны;
— под антенной из Ж-образных вибраторов приходится увеличивать диаметр опоры. Проблема диаметра опоры усугубляется, когда на этой же опоре выше необходимо расположить другие антенны, например, антенны других каналов. При большом разносе плеч Ж-образного вибратора, который пришлось бы применить из-за большого диаметра опоры, уже невозможно обеспечить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости (неравномерность < 3 дБ), что необходимо для формирования зоны покрытия;
— Антенна имеет высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры;
— Сложна система питания антенны.
Известна ещё одна турникетная антенна [14], выполненная из четырёх треугольных веерообразных излучающих элементов, размещённых вокруг вертикальной мачты. Каждый излучатель монтируется на мачте с помощью двух металлических кронштейнов, имеющих гальванический контакт с излучателями в угловых точках, удалённых от мачты. Излучающие элементы запитаны равной мощностью с относительными фазами 0°, 90°, 180° и 270°. Такая турникетная антенна имеет более широкую полосу рабочих частот по сравнению полосой частот турникетных антенн, рассмотренных выше, однако обладает теми же недостатками, что и те антенны.
Известна другая широкополосная передающая телевизионная антенная система компании НПО «Кабельные сети» г. Санкт-Петербург [46]. Антенная система представляет собой турникет из 4-х этажей. На каждом этаже по кругу на опоре установлены 4 панельные антенны, что позволяет создать круговую ДН в горизонтальной плоскости. Основными недостатками данной антенны является:
— маленькая излучаемая мощность, не более 2 кВт;
— большие габариты такой антенной системы 900×900×4450 мм;
— неравномерность ДН в горизонтальной плоскости составляет ±-ЗдБ.
Известна другая турникетная антенна «Сиваш» производства ОАО.
Март" г. Санкт-Петербург, которая имеет широкую полосу частот согласования антенны с фидером 470 — 860 МГц. Данная антенна также представляет собой 4-х этажную антенную решетку, выполненную из панельных излучателей. Основными недостатками является ей большие массогабаритные характеристики: масса антенны достигает 350 кг, её габариты 5000×800×800 мм [15].
За рубежом широко представлена антенна компании «АиЭЕЫА». Данная антенна работает в полосе частот 470 — 860 МГц. Имеет хорошие массогабаритные характеристики: 364×364×1554мм, но небольшой коэффициент усиления всего 5 дБ и мощность излучения не более 1 кВт [2].
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является турникетная антенна [11], которая принята авторами за прототип.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследования в настоящей работе является оригинальная щелевая турникетная антенна. Антенна состоит из металлических пластин расположенных перпендикулярно друг другу, в которых по всей длине прорезаны прямоугольные щели, полупериметр которых равен половине длине волны на средней рабочей частоте диапазона. Возбуждение антенны осуществляется с помощью коаксиального кабеля, каждая щель возбуждается своим кабелем. Согласующим устройством для такой антенны является отрезок коаксиального кабеля, который позволяет скомпенсировать реактивную составляющую сопротивления антенны в широкой полосе частот.
Предметом исследования являются электродинамические характеристики антенны и их зависимость от геометрических размеров антенны, методы согласования антенны с фидером в широком диапазоне частот.
Особенность данной оригинальной антенны заключается в поведении входного сопротивления антенны в диапазоне частот. Полоса частот, в пределах которой антенна имеет согласование с фидером при обеспечении КСВН ниже 1.2, может быть использована для излучения сигнала нескольких передатчиков. Чем более широкой полосой рабочих частот обладает антенна, тем больше передатчиков она может обслуживать, нет необходимости настраивать антенну на определённую частоту. При этом должна обеспечиваться заданная диаграмма направленности. Поэтому предметом исследования в настоящей работе являются характеристики излучения антенны: входное сопротивление и диаграмма направленности.
Целью диссертационной работы является:
1) разработка численной модели предложенной антенны, обеспечивающей достаточную точность предсказания поведения параметров антенны, например, диаграммы направленности;
2) выявление основных закономерностей поведения входного сопротивления турникетной антенны посредством исследования разработанной численной модели;
3) экспериментальные исследования поведения согласования с фидером антенны.
Для достижения поставленной цели в работе предполагается:
1) разработать физическую модель конструкции предложенной турникетной антенныприменительно к физической модели решить электродинамическую задачу расчёта диаграммы направленности турникетной антеннырешение представить в виде суммы эллиптических функций;
2) на основе полученного решения вычислить диаграмму направленности, влияние размеров пластин на форму диаграммы направленности и определить размеры металлических пластин, при которых обеспечивается необходимая неравномерность диаграммы направленности;
3) исследовать поведение входного сопротивления антенны в диапазоне частот с использованием численной модели при изменении одного или нескольких геометрических размеров антенныпроизвести выбор оптимальных геометрических размеров антенны для образца антенны по полосе частот согласования антенны с фидером;
В первой главе разрабатывается физическая, математическая и численная модель турникетной антенны. При построении физической модели используется решение задачи дифракции электромагнитных волн на идеально проводящем цилиндре. С помощью полученного решения вычисляются диаграммы направленности при различных значениях длины пластин, из которых состоит антенна. Показана зависимость неравномерности диаграммы направленности от отношения ширины пластины антенны к длине волны.
Во второй главе производится исследование электродинамических характеристик численной модели предложенной антенны. Находятся зависимости от частоты реальной и мнимой частей входного сопротивления антенны, а также КСВН в фидере. Определяется поведение этих характеристик при изменении геометрических размеров антенны: длины согласующего отрезка, длины и ширины щели, ширины пластин, положение запитки относительно края щели. Исследованы ДН антенны в диапазоне частот.
В третьей главе описываются способы расширения полосы рабочих частот антенны. Рассмотрены способы возбуждения щелевой антенны. Исследовано влияние дополнительных щелей на полосу согласования антенны с фидером. Показаны частотные зависимости входного сопротивления антенны и КСВН в рабочей полосе частот при изменении геометрических размеров дополнительных щелей: длины щелей, положения относительно основной щели. Исследовано влияние дополнительных щелей на ДН антенны.
В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненные на макетах турникетной щелевой антенны. Для проведения экспериментов были изготовлены макеты щелевой антенны. В качестве фидера был использован коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом.
Основные выводы по диссертационной работе сформулированы в заключении.
Научная новизна. К новым можно отнести следующие результаты работы:
1. В строгом выводе соотношений для расчёта амплитудных и фазовых диаграмм направленности двухсторонней щели конечной ширины, выполненной на идеально проводящей бесконечно тонкой ленте.
2. В обосновании оригинальных технических решений построения щелевой турникетной антенны, обеспечивающих широкую полосу согласования антенны с фидером. Новизна технических решений подтверждается патентом РФ на изобретение № 2 401 492.
3. В найденных закономерностях влияния размеров ленты на амплитудную и фазовую диаграммы направленности двухсторонней щелевой антенны и амплитудную диаграмму направленности турникетной щелевой антенны.
4. В исследовании зависимости характеристик излучения предложенной ' антенны от размеров её излучающих и конструктивных элементов. С помощью проведённых численных экспериментов определены оптимальные геометрические размеры антенны с точки зрения её согласования с фидером в диапазоне частот 470 — 860 МГц.
5. В доказательстве того, что открытый на конце отрезок линии передачи в качестве согласующего устройства обеспечивает компенсацию реактивной составляющей входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне рабочих частот.
6. В найденных закономерностях влияния дополнительных пассивных щелей на реактивную составляющую входного сопротивления щелевой антенны в широком диапазоне частот.
Теоретическую значимость и прикладную ценность представляют следующие результаты работы:
1. Разработана оригинальная турникетная щелевая антенна с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с горизонтальной поляризацией поля излучения в дециметровом диапазоне длин волн, обеспечивающая согласование с фидером на уровне КСВ менее 1,2 в полосе частот, составляющей 60% от средней частоты. Конструктивная простота, технологичность, небольшой вес, надёжная защита от влияния метеорологических факторов, хорошее согласование с фидером во всём дециметровом телевизионном диапазоне волн обеспечивают антенне преимущества в сравнении с аналогичными антеннами, предлагаемыми для оснащения радиостанций цифрового телевизионного вещания. Антенна полезна для применения в системах радиосвязи, в аэродромных радиотехнических системах навигации и в системах посадки самолётов гражданской авиации.
2. Разработана физическая модель широкополосной щелевой турникетной антенны, обеспечивающая расчёт согласования с фидером, расчёт амплитудных и фазовых диаграмм направленности в дальней и ближней зонах с учётом всех размеров как непосредственно излучающих элементов антенны, так и всех без исключения конструктивных элементов антенны (таких как стойки и кронштейны в виде швеллеров), а также обтекателя антенны. Физическая модель полезна и для разработки двусторонних щелевых антенн, возбуждаемых коаксиальным кабелем в других диапазонах длин волн.
3. Разработаны методики по практической реализации устройств возбуждения щелей и их согласования с фидером.
4. Установлены закономерности в поведении согласования антенны с фидером в зависимости от размеров возбуждаемой щели, пластины, в которой выполнена щель, размеров пассивных щелей, размеров конструктивных элементов антенны. Показано, что наилучшее согласование достигается на резонансных частотах. При этом первая резонансная частота определяется периметром поперечного сечения пластины, вторая обуславливается размером возбуждаемой щели, последующие резонансные частоты определяются размерами пассивных щелей.
5. Разработана методика параметрического синтеза антенны по критерию максимальной ширины полосы согласования антенны с фидером. Определены оптимальные параметры антенны, предназначенной для работы в диапазоне частот 470 — 860 МГц.
6. Результаты исследования диссертации применены для создания антенны дальнего контроля курсового маяка в системе инструментального обеспечения посадки СП-200 самолётов гражданской авиации ОАО «Челябинский радиозавод «Полёт» .
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы были доложены на:
1) ежегодных конференциях для аспирантов и докторантов ЮжноУральского государственного университета (Челябинск, 2009 — 2011 гг.);
2) 52-й научной конференции Московского физико-технического института — Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2009 г.);
3) международной научно-практической конференции «Связь-Пром 2010» (Екатеринбург, 2010 г.);
4) международной научно-практической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (Воронеж, 2011 г.).
Выступления получили одобрение в научных кругах, а результаты использованы в дальнейшей работе. По результатам работы опубликован патент [60], четыре доклада [29], [31], [33], [34] и две статьи [30], [32].
На защиту выносятся:
1. Методика проектирования широкополосной турникетной щелевой антенны, заключающийся в замене антенной опоры в виде трубы, расположенной в центре антенны, пространственной решёткой, несущие элементы которой размещены по периметру антенны, позволяет создать более надёжные и прочные конструкции щелевых турникетных антенн.
2. Физическая модель широкополосной турникетной щелевой антенны, основанная на строгом решении задачи дифракции плоской электромагнитной волны на идеально проводящем эллиптическом цилиндре.
3. Методика применения отрезка линии передачи с отрытым концом и пассивных щели в качестве согласующих устройств позволило увеличить ширину полосы согласования антенны с фидером в 12 раз по сравнению шириной полосы при стандартном способе возбуждения щелевой антенны.
4. Закономерности в поведении электродинамических характеристик предложенной антенны в зависимости от размеров её излучающих и конструктивных элементов.
Вывод.
Создана новая турникетная антенна, обеспечивающая излучение сигналов в широкой полосе частот и тем самым решающая проблему перехода цифровое телевизионное вещание.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
