Слезкин В. Г., Євенко В. В. Севастопольський національний технічний університет України – 99053, Севастополь, Студмістечко, тел. (0692) 23-51-18, e-mail: rt.sevgtu @ stel.sebastopol.ua

Анотація – Представлені результати теоретичного та експериментального дослідження вібраторних антени діапазону 900 МГц, що містить три поперемінно активних плеча, розташованих по колу на торці циліндричного екрану. Перемикання забезпечується схемою на pin-діодах. Два пасивних плеча працюють як рефлектори для активного плеча, в результаті формується одна з трьох можливих діаграм спрямованості шириною близько 120 °.

I. Вступ

Протягом останніх декількох років в Україні спостерігається значне збільшення зон покриття території мережами мобільного зв’язку ДМВ діапазону, наприклад, стандарту GSM-900. Проте якість зв’язку в цих мережах ще далеко до ідеального. Поліпшити ситуацію без значних витрат можна шляхом розробки і впровадження антен з перемикаються діаграмами спрямованості (ДН).

У нашому попередньому звіті [1] була запропонована ідея вібраторних антени з трьома діаграмами спрямованості, але питання узгодження антени з живильним фідером, а також докладне дослідження зовнішніх характеристик не були представлені. Дані завдання є предметом цієї доповіді.

II. Основна частина

Рис. 2. Розрахункова та експериментальна залежності КСВ входу антени від частоти.

Розглянута антена (рис.1) містить циліндричний екран, схему живлення на основі мік-рополосковой лінії (МПЛ) і три «тонких» плеча.

Рис. 1. Зовнішній вигляд антени.

Fig. 1. An external view of the antenna

Fig. 2. Calculated and experimental input VSWR frequency dependences of the antenna

Екран має довжину твірної близько чверті довжини хвилі X і такий діаметр, що відстані між плечима становлять близько О.ЗХ. Електричне відстань уздовж МПЛ від центру схеми живлення до точок харчування плечей, в яких включені керовані замикачі, становить 0.25Х. У кожен момент часу два замикача замкнуті, один розімкнений, так що сигнал від кабелю, що живить схему в її центрі, передається повністю одному плечу, а решта відрізки МПЛ на режим передачі не впливають в силу ефективного холостого ходу на їх входах. Парціальна діаграма спрямованості (ДН) формується, як в діректорной антени: пасивні плечі відіграють роль рефлектров.

Розрахунок вхідного опору антени через складну форми і обмежених розмірів екрану представляє значну складність і, мабуть, не може бути виконаний «суворими» методами. При певних припущеннях можна спробувати застосувати наближений метод наведених ЕРС [2]. Вхідний опір кожного з N взаємодіючих вібраторів можна знайти за допомогою системи рівнянь

де l, U – вектори-стовпці струмів і напруг в

точках харчування, Z – матриця власних сопротив-леніій випромінювання та внесених опорів.

Формули для розрахунку опорів наведені в [2] і зводяться до інтегрування векторних потенціалів.

Із системи (1) можна виразити наведені опору випромінювання вібраторів Z,

У нашому випадку один вібратор активний, два інших замкнуті накоротко, що дозволяє висловити відношення струмів і, відповідно, наведене опір в пучності струмів. Оцінку вхідного опору можна виконати перерахунком наведеного опору на вхідні затиски вібратора. У припущенні про синусоїдальній розподілі струмів по плечах антени можна розрахувати ДН антени в Н-площині шляхом підсумовування полів, створюваних струмами активного і пасивних плечей. Макет антени з живленням від 50-омного коаксіального кабелю був виконаний для діапазону 900 МГц (див. рис.1). Керовані замикачі реалізовані на pin-діодах типу 2А505А.

Результати розрахунку КСВ входу і ДН антени в Н-площині представлені нижче в порівнянні з деякими експериментальними даними (рис.2, 3). ДН в Е-площині розрахунку не піддається.

Рис. 3. Розрахункова та експериментальна діаграми спрямованості антени в Н-площині.

Fig. 3. Calculated and experimental H-plane far-field patterns of the antenna

Видно, що наближена теорія передбачає робочу частоту з похибкою 5% … 6% і дає завищену оцінку смуги узгодження за рівнем КСВ, рівному двом. Реально досягнута смуга склала близько 4%. Із зіставлення ДН випливає, розрахунок і експеримент добре узгоджуються за формою і ширині (близько 120 °) головного пелюстка, але реальне придушення заднього випромінювання (8 дБ) дещо менше розрахункового (9.6 дБ). Типова ДН в Е-площині наведена на рис.4. Видно, що основне випромінювання антени зміщене в нижню півплощини. Для антен стаціонарних пунктів мобільного зв’язку це – сприятливий фактор. Коефіцієнт посилення антени склав близько 5 дБ.

Рис. 4. Експериментальна діаграма спрямованості в Е-площині.

Fig. 4. An experimental E-plane far-field pattern

III. Висновок

У діапазоні ДМВ можна реалізувати просту по конструкції антену, що забезпечує формування в просторі трьох перемикаються діаграм спрямованості, положення головних променів яких розрізняються на 120 °. Антена може бути рекомендована до застосування для стаціонарних пунктів систем мобільного зв’язку.

IV. Список літератури

[1] Слезкин В. Г., Євенко В. В. вібраторних антена з перемикаються діаграмами спрямованості. В кн.: Тринадцяте Міжнар. конф. КриМіКо’2003. Матеріали конф – Севастополь: «Вебер», 2003 – С.404-405.

[2] Айзенберг Г. 3., Бєлоусов С. П., Журбенко Е. М. Короткохвильові антени, – М.: Радіо і зв’язок, 1985, – 536 с.

THE ANTENNA WTH SWITCHABLE FAR-FIELD PATTERNS FOR MOBILE COMMUNICATION SYSTEMS

Slyozkin V. G., Yevenko V. V.

Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sevastopol-99053, Ukraine tel. (0692)23-50-18 E-mail: rt. sevgtu@stel. sebastopol. ua

Abstract -The results of theoretical and experimental investigations the oscillator antenna within 900 MHz frequency band are considered. An antenna consists of three alternatively active arms installed circumferentially on the cylindrical screen face. Switching is provided by pin-diode circuit. Two passive arms operate as reflectors for the active one. As result one of three possible far-field patterns is formed with beamwidth 120°.

I.  Introduction

An idea of dipole antenna with three switched far-field patterns is proposed in our previous paper [1] where the analysis of antenna matching with feeder and detailed investigations of the external characteristics of antenna are absent. These problems are the subject of present paper.

II.  Main part

The antenna under consideration contains cylindrical ground shield, feeding circuit based on microstrip line (MSL), and of three "thin” arms (Fig. 1). The ground shield height is about 0.25X and its diameter provides the distances between arms of about 0.3X. An electric distance along MSL between the feeding circuit centre and feeding arm points, where controlled contactors are installed, is 0.25X. At any time moment two contactors are closed whereas one residuary contactor is opened, so a signal from feeding cable is totally coupled into one arm. The other lengths of MSL don’t affect the transmitting operation mode due to effective no-load conditions at their inputs. Partial far-field pattern is formed as in Yagi antenna where passive arms play role of reflectors. An input impedance of the antenna can be calculated approximately by using the induced electromotive forces method [2]. H-plane patterns one can calculate on the base of superposition principle, supposing sinusoidal current distribution on arms. The model of the antenna fed with 50-ohm coaxial cable is made for 900 MHz operational frequency band (see fig. 1). The controlled contactors are realized with 2A505A pin-diodes. Theoretical and experimental input VSWR frequency dependence and H-plane far-field patterns are shown on Fig. 2, 3. An E-plane far-field pattern defies calculations. The approximate theory gives relative frequency shift form live in limits 5%…6% and more wide matching band. Real working band was about 4%. The calculated and measured H- plane far-field patterns are in good agreement having main beam widths about 120°, but back radiation level (-8 dB) is slightly less than calculated one (-9,6 dB). The typical E-plane far-field pattern is shown in Fig.4. One can see that the main antenna radiation is shifted to lower half-plane. This shift is a favorable fact for base station antennas of mobile communications. Measured gain is about 5 dB.

III.  Conclusion

It is verified that simple in construction antenna with three 120° spatially switched beams can be realized within DMW frequency band. This antenna is recommended for base stations of mobile communication systems.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»