Мішустін Б. А.

Московський енергетичний інститут Росія – 111250, Москва, Красноказарменная, 14 тел. (095) 372-52-42, e-mail: mishustinBA@mpei.ru Редькіна Є. А., Слезкин В. Г. Севастопольський національний технічний університет України – 99053, Севастополь, Студмістечко тел. (0692) 23-51-18, e-mail: rt.sevgtu @ stel.sebastopol.ua

Анотація – Представлені результати теоретичного дослідження коаксіально-колінеарний антени з одним щаблем послідовного дільника харчування, але великим числом елементів. Це досягається використанням щілин в зовнішньому провіднику коаксіалу, віддалених на 2 довжини хвилі.

I. Введення

Fig. 1. An entire schematic diagram of the antenna considered (a) and of radiating element (b)

У нашій доповіді [1] обговорюється коаксіально-колінеарні антена з послідовним дільником харчування. При п щаблях дільника реалізується антена з 2п+1 Синфазно порушеними елементами. Однак при 3 і більше ступенях послідовний дільник стає досить складним, з високими вимогами до точності його виконання.

б)

Рис. 1. Повна схема розглядається антени (а) і випромінюючого елемента (б).

У статті [2] пропонується коаксіально-коллінеарен-ная антена на основі кабелю, у зовнішньому провіднику якого через певні відстані виконані щілини. Відрізки між щілинами утворюють випромінюють елементи. Антена має просту конструкцію, але вельми вузькосмуговий і не дозволяє виконувати настройку вхідного опору.

Мета даної доповіді: показати, що можна знайти досить просту конструкцію коаксіально-колінеарний антени, сполучає переваги варіанту з послідовним дільником і щілинний схемою збудження.

II. Основна частина

Пропонована антена (рис.1) містить жорсткий коаксіал, у зовнішньому провіднику якого прорізані кільцеві щілини на електричному відстані 2Х (X – довжина хвилі). Кожна щілина забезпечує збудження коаксіального випромінюючого елемента, що складається з трьох трубчастих відрізків довжиною близько

0. 5Х. Крайні відрізки з’єднані із зовнішнім провідником коаксіалу шайбами, відстань від яких до щілин 1до можна варіювати. Конструкція дозволяє переміщати кожен випромінюючий елемент уздовж зовнішнього провідника коаксіалу. Таким чином, забезпечується достатнє число ступенів свободи для забезпечення налаштування антени при її виготовленні.

Вхідний опір антени може бути знайдено як вхідний опір лінії передачі з послідовно включеними через 2Х навантаженнями. Наприклад, для антени з 4 елементами 3 навантаження, які є вхідними опорами елементів Zei, включені послідовно, а одна є оконечной.

Аналіз вхідного опору елемента антени проводився наближеним методом еквівалентних схем [2].

ДН елемента була розрахована шляхом інтегрування ідеалізованого синусоїдальної розподілу струмів. Методом Пойнтінга було знайдено опору випромінювання RE , Потім з рівності повного опору втрат опору випромінювання було знайдено погонное опір втрат еквівалентній лінії Ri і постійна загасання а. Вхідні опору кожної з двох щілин елемента були визначені як вхідний опір лінії з втратами.

Величина Zei була знайдена шляхом перерахунку опорів щілин випромінюючого елемента з урахуванням хвильового опору другого коаксіалу до щілин у зовнішньому провідника першого коаксіалу.

При проектуванні запропонованої антени можна вибрати хвильовий опір першого коаксіалу рівним хвильовому опору фідера, наприклад, 50 Ом. Тоді на середній частоті вхідні опору елементів, очевидно, повинні бути рівні Ze! = 12.5 Ом, так як складаються послідовно. Хвильовий опір другого коаксіалу р2 можна вибрати з конструктивних міркувань. Довжини трубчастих відрізків елементів слід підбирати так, щоб активна частина вхідного опору щілин дорівнювала перерахованим до щілин опору Ze\, А реактивність носила ємнісний характер. Цю реактивність можна компенсувати індуктивним вхідним опором короткозамкнутого відрізка коаксіалу між щілиною випромінюючого елемента і шайбами.

З метою перевірки можливості описаного підходу були виконані розрахунки для р2 = 24 Ом. При цьому необхідне значення активної складової вхідного опору щілини одно 92 Ом. Довжини трубчастих відрізків були рівні 0.5х для частоти 900 МГц. Радіус трубчастого елемента склав 1/10 від його довжини. Результати розрахунку вхідного опору щілини представлені на рис.2.

Рис. 2. Залежність вхідного опору щілини від частоти.

Fig. 2. Frequency dependence of slot input impedance

Видно, що на частоті 946 МГц активна складова має необхідне значення 92 Ом, однак, так як на цій частоті відстань між щілинами вже не буде так само 0.5х, не слід очікувати повного узгодження антени (ріс.З).

Рис. 3. Залежність КСВ входу антени від частоти.

Fig. 3. Frequency dependence of antenna input VSWR

Можна бачити, що навіть без оптимізації розмірів можна отримати відносну смугу узгодження за рівнем КСВ 2.0 приблизно 5%.

I. Висновок

Запропоновано варіант коаксіально-колінеарний антени, в якому трубчасті випромінюють елементи, кожен з трьох відрізків довжиною близько 0.5А, порушуються щілинами, прорізаними в зовнішньому провіднику жорсткого коаксіалу. На основі аналізу, виконаного наближеним методом еквівалентних схем, показано, що антена може бути узгоджена з живильним кабелем в смузі частот, достатньої для багатьох практичних цілей.

II. Список літератури

[1] Мішустін Б. А.. Слезкин В. Г., Редькіна Є. А. Оптимізація характеристик випромінювання коаксіальних кол-лінеарним антен з послідовними дільниками харчування В кн.: 12-я Міжнар. конф. КримІКО-2002. Матеріали конференції, – Севастополь: «Вебер»,

2002, – с. 347-348.

[2]    J-F. Kiang. Analysis of Linear Coaxial Antennas.IEEE Trans. Antennas Propagat.,Vol.46,No.5,1998.-P.636-642.

[3] Сазонов Д. М. Антени та пристрої НВЧ. М., Вища. шк., 1988. – 432 с.

THE COAXIAL COLLINEAR ANTENNA WITH SERIES SLOT FEEDING SCHEME

Mishoostin B. A.

Moscow power engineering institute Krasnokazarmennaya 14, Moscow – 111250, Russia

tel. (095) 372-52-42, e-mail: mishustinBA@mpei.ru Slyozkin V. G., Redkina E. A.

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 investigation of coaxial- collinear antenna with one-staged but many element series feeding divider are presented. This is released by usage of slots in outer conductor of coaxial line, located 2 wavelength distance apart each other.

I.  Introduction

In our paper [1] a coaxial-collinear antenna with series feeding divider is discussed. For divider with n stages one can realise an antenna with 2n+1 in-phase excited elements. However divider with 3 or more stages becomes very complicated in construction and production.

In [2] a coaxial-collinear antenna is presented on the basis of coaxial cable having periodically located slots cut in outer conductor. Metal lengths between slots form radiating elements. This antenna is constructively simple, but has very narrow operating frequency band and does not permit input impedance tuning.

This paper objective is to show the possibility of finding rather simple construction of a coaxial-collinear antenna combining the advantages of version with series feeding divider and of that with slotted excitation scheme.

II.  Main part

The antenna proposed (Fig. 1) contains a rigid coaxial line having ring-like slots in its outer conductor. An electric distance between slots is 2X (X is the wavelength). Each slot provides excitation of a coaxial radiating element which contains three tubular cuts of about 0.5X long. The extremely positiopned cuts are connected to the outer conductor of the coaxial by spacers, having variable distances lk from slots. The construction allows moving each radiating element along of the coaxial. By this way the sufficient number of degrees of freedom to maintain antenna tuning is provided.

The input impedance of the antenna can be found as an input impedance of feeding line with series loads. Analysis of an element input impedance is made by an approximate equivalent circuit’s method [2]. An element far-field pattern is calculated by integration of idealized sine current distribution. A loss factor of equivalent feeder is obtained in terms of radiation resistance of unit length, which is calculated by Pointing method.

During the antenna design the characteristic impedance of first coaxial should be equalled to that of feeder, for example, 50 Ohm. Then input impedances of elements at mean frequency are evidently equalled to Zei = 12.5 Ohm.

Calculations are made for element lengths of 0.5X at 900 MHz (Fig.2,3). Suitable conditions are reached at 946 MHz, but quarter-wavelength conditions are broken, so ideal matching cannot be provided. However even without the size optimisation it is possible to realise VSWR less than 2.0 in a relative bandwidth about 5 %.

III.  Conclusion

The coaxial-collinear antenna version is proposed. On the basis of the approximate theoretical estimation it is shown, that the antenna can be matched to a feeder within frequency band which is sufficient for many practical applications.

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