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 дослідження несиметричною вібраторних антени, яка містить три «тонких» плеча, розташованих по колу на торці циліндра. Схема живлення забезпечує перемикання сигналу на одне плече при короткому замиканні інших, в результаті чого формується одна з трьох можливих діаграм спрямованості.

I. Вступ

В даний час для стаціонарних пунктів мобільних систем зв’язку все частіше використовують антени з кількома перемикаються діаграмами спрямованості, так звані «розумні» антени. Нижче пропонується проста по конструкції антена з трьома діаграмами спрямованості, реалізована на принципі діректорной антени.

Відомі несиметричні вібраторних антени з коаксіальним харчуванням (див., наприклад, [1]) містять активну плече, порушену центральним провідником коаксіального фідера, і пасивне плече у вигляді порожнього циліндра з одним відкритим кінцем, до якого підключений зовнішній провідник фідера, причому фідер пропущений через порожнину пасивного плеча. Довжини плеч зазвичай складають близько чверті довжини хвилі, а діаметри плечей можуть бути різними. При збільшенні діаметра пасивного плеча до величин, порівнянних з довжиною хвилі, з’являється конструктивна можливість на його торці розмістити кілька плечей так, щоб при порушенні одного плеча інші грали роль пасивних рефлекторів, тоді буде сформована діаграма спрямованості з максимумом в одному напрямку. Шляхом перемикань в схемі живлення напрямок променя можна стрибкоподібно змінювати.

II. Основна частина

Нехай в антені з коаксіальним харчуванням (рис.1) довжини плечей L однакові і близькі до чверті довжини хвилі X, а радіуси активного плеча аа і пасивного ар різні. При близьких значеннях радіусів, багато менших довжини хвилі, вхідний опір, як відомо, буде близько 75 Ом. Зовнішній провідник коаксіального фідера і внутрішня поверхня пасивного плеча утворюють відрізок коаксіальної лінії довжиною

0. 25 X, що перешкоджає затікання струмів на зовнішній провідник фідера.

Рис. 1. Схема вихідної антени Fig. 1. The basic antenna schematic diagram

Якщо збільшити радіус пасивного плеча ар до значень 0.1Х і більше, то відомі частотні залежності вхідного опору втрачають достовірність. Якісно ж можна помітити, що ситуація наближається до випадку несиметричного вібратора над екраном, вхідний опір якого в два рази менше, ніж симетричного вібратора. Оскільки тут екран має форму обмеженого циліндра, зниження опору повинно бути в меншому відношенні, тобто четвертьволновий несиметричний вібратор розглянутого виду повинен бути задовільно узгоджений з 50омним фідером.

В рамках даного подання можна стверджувати, що вхідний опір антени істотно не зміниться, якщо активне плече змістити до краю підстави пасивного плеча. При досить великому радіусі пасивного плеча 1 можна у його краї розмістити три плеча 2,3,4, дотримуючись осьову симетрію (рис.2).

Збудження до плечей підводиться через паралельну схему 5, виконану, наприклад, на микрополосковой лінії. До схеми, яка містить керовані замикачі в точках підключення плечей, збудження підводиться коаксіальним фідером в її центрі.

Рис. 2. Схема пропонованої антени (вид зверху)

Fig. 2. The proposed antenna schematic diagram (upper view)

Нехай поперечні розміри вибрані так, що електричне відстань між центром структури і точками підключення плечей одно 0.25Х, а відстань між осями плечей лежить в межах 0,15> _________________________________ О.ЗЯ,,

як в діректорних антенах. Якщо в даний момент часу два замикача знаходяться в стані «замкнуто», то на входах відповідних відрізків реалізується режим холостого ходу: весь сигнал передається до точці підключення одного активного плеча. Активне плече випромінює електромагнітну хвилю, яка розповсюджується в усіх напрямках. Оскільки відстані до пасивних в даний момент плечей і їх довжини вибрані певним чином, перевипромінені цими плечима хвилі, складаючись в просторі з первинної хвилею, реалізують діаграму спрямованості з одним головним променем в напрямку активного плеча. Ясно, що роблячи активним поперемінно інші плечі, ми отримаємо можливість направляти головний промінь в два інших положення.

Роль пасивного плеча у формуванні діаграми спрямованості важко проаналізувати через складну картини розподілу струмів по несиметрично порушеній циліндра. Якісно можна відзначити, що хвилі струмів, оточуючі циліндр від точки збудження, набувають у міру поширення фазові зрушення, близькі до фазових зрушень в електромагнітних хвилях. Отже, принципово форма діаграма спрямованості через вплив пасивного плеча не повинна різко змінитися, але порушення симетрії в Еплоскості може спостерігатися.

З метою перевірки можливості реалізувати запропоновану антену був виконаний макет для діапазону 900 МГц, що порушується 50-омним коаксіальним кабелем. Схема збудження була виконана на основі микрополосковой лінії, як матеріал лінії був узятий фольгований високочастотний діелектрик з діелектричною проникністю, що дорівнює 5. Керовані замикачі реалізовані на pin-діодах типу 2А505А.

Попередні експериментальні дані по вхідному опору антени показали, що наведені вище якісні оцінки не цілком узгоджуються з реальною картиною, мабуть, через значні опорів, внесених пасивними плечима. На даному етапі досліджень задача узгодження антени з фідером не ставилася.

Діаграми спрямованості в Н-площині мали виражені максимуми в очікуваних напрямках. Ширина головних пелюсток по рівню 3 дБ склала 130 ° … 150 °, рівень бічного і заднього випромінювання склав -10-12 ДБ. Діаграми спрямованості в Е-площині мали істотну несиметрію: півширина в напрямку до торців активних плечей склала близько 30 °, а в протилежному напрямку

– Близько 50 °. В окремих напрямах рівень бокового випромінювання досягав -8 дБ.

III. Висновок

Схема пропонованої антени побудована на принципах несиметричною вібраторних антени з коаксіальним порушенням і діректорной антени. Антена містить пасивне плече електрично великого діаметру, три поперемінно активних плеча малого діаметра і схему збудження з керованими замикачами, які в кожен момент часу забезпечують коротке замикання в точках підключення двох плечей. Завдяки тому, що електричне відстань від цих точок до точки підключення кабелю становить 0.25Х, весь сигнал направляється в одне активне плече. При певному виборі основних розмірів антена може формувати поперемінно три діаграми спрямованості.

Експериментальні дослідження, які виконувалися в ДМВ діапазоні, підтвердили принципову можливість реалізації запропонованої антени. Важливо відзначити, що при природному розташуванні антени «пасивним плечем вниз »поляризація випромінювання буде вертикальною, а діаграма спрямованості має« притиснутий »до землі характер. Таким чином, дану антену після оптимізації, яка є завданням подальших досліджень, можна буде рекомендувати до застосування в мобільних системах зв’язку.

IV. Список літератури

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

THE NON-SYMMETRICAL OSCILLATOR ANTENNA WITH SWITCHED PATTERNS

Slyozkin V. G., Yevenko V. V.

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

Abstract The results of study the non-symmetrical oscillator antenna consisting of three “thin” arms located circumferentially on the cylinder end surface are presented. Feeding circuit provides switching of the signal to one arm whereas all the other ones are short-circuited resulting in formation one of three possible far field patterns.

I.  Introduction

Geometry ofthe known radiating structures is based on the principles ofthe non-symmetrical oscillator antenna with coaxial feeding and the director antenna as well (see, for example [1 ]).

II.  Main part

The basic antenna schematic diagram is shown in fig.1. And in general case the lengths L of the active and passive arms are the same, being about 0.25 X, where X is the wavelength, and radii aa and ap are different. As known the input impedance will be about 75 Ohms provided the values of the radii aa and ap are close to each other, being both less then X. If value of ap approaches the 0.1 X value and more, the passive arm operates as a cylindrical screen. The input impedance for the infinitely flat screen is decreased twice, therefore this decrease will be less significant for the finite screen. The suggested antenna schematic diagram (upper view) is shown in fig.2, where 1-passive arm, 2,3,4-active arms of the smaller diameter, 5-exciting circuit. There are controlled contactors located at the connection points of the active arms. Let the cross-section areas are chosen so that the electrical distance between the structure center and arm connection points is equal to 0.25X, while the distance between arm axes is about

15Х … 0.3Х (as for the director antennas). If two contactors are closed at the given moment to realize short circuit conditions then inputs ofthe corresponding feeding line parts will be under no-load conditions, so the whole signal will be transmitted to connection point of one active arm. The active arm starts radiation the electromagnetic wave spreading in all directions. As the distances to the arms being passive at the given moment are chosen by appropriate manner, waves re-radiated by these arms are added to the primary wave to form a pattern with one beam directed along active arm. It is obviously that we will be able to direct the main beam to other two positions by alternately making all the other arms active. The model of the antenna with 50-0hm’s coaxial cable was made for 900 MHz frequency band. The exciting circuit was based on microstrip line, whereas a line material used is a foiled high-frequency dielectric FLAN with permittivity equaled to 5. The controlled contractors were realized on 2A505A pin-diodes. The preliminary experimental data on input antenna impedance did not completely agree with predicted ones. The possible reason is considered to be an effect of passive arms secondary radiation. The problem of good matching the antenna input was not considered in the present research. The H-plane far field antenna patterns had the pronounced main beams just along the expected directions and had 3 dB width of about 130°…150°, while the sidelobe and back radiation levels were about -10…12 dB. The E-plane far field patterns were significantly asymmetric: a pattern half-width along to the ends ofthe active arms was about 30°, whereas that along the opposite direction was about 50°. In some directions sidelobe level reached 8 dB.

III.  Conclusion

It was proved in the paper, that constructively simple oscillator antenna with three switched patterns can be realized. After optimization being performed further the antenna proposed will be recommended for mobile communication systems.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.