Анотація – Досліджуються основні характеристики рамкової антени, розташованої на круглому екрані обмежених розмірів Проводиться порівняння імпедансних і польових характеристик рамкових антен у вільному просторі і при розміщенні їх на екрані, виконане в різних пакетах електродинамічного моделювання Отримано граничні співвідношення для характеристики узгодження рамкової антени за допомогою НЕ диссипативной ланцюга звязку Виконано оцінку взаємного впливу декількох рамок, розташованих під кутом один до одного Наводяться результати експериментальних досліджень рамкової антени

I                                       Введення

Системи з рамкових антен широко використовуються в пристроях пеленгування в діапазоні від метрових до дециметрових хвиль [1, 2] У цих пристроях використовуються провідні екрани кінцевих розмірів для зменшення взаємного звязку між антенами різних піддіапазонів Наявність несиметричного екрану істотно змінює їм-педансние і польові характеристики як одиночної рамки, так і системи рамкових антен по порівнянні з випадком їх розміщення у вільному просторі Зміни форми діаграми спрямованості та її поляризаційних властивостей призводять до появи помилок пеленгування, а зміни імпедансних характеристик – До зменшення смуги робочих частот антени

Особливо ці зміни проявляються при роботі антени в широкому діапазоні частот з перекриттям по частоті К = fe / fH = 2 +5, що пояснюється необхідністю пеленгування широкосмугових сигналів, вимогами зменшення габаритів антеною частини пеленгатора і типорозмірів використовуваних рамок

У цьому звязку, в цій роботі вивчаються їм-педансние і польові характеристики прямокутної рамкової антени, розташованої на круглому провідному екрані з близьким до напівхвильового розміром діаметром і наводяться порівняння цих характеристик з характеристиками одиночної рамки у вільному просторі

II                              Основна частина

Для формування математичної моделі рамкової антени і перевірки її достовірності було виконано моделювання одиночної рамкової антени на провідному екрані і у вільному просторі в діапазоні 100-500 МГц у трьох пакетах електродинамічного моделювання: Ansoft HFSS, SuperNEC, Microwave Studio Розміри рамки при моделюванні були обрані равнимі150х75х10х1, 7 мм ®, розміри екрана становили 0350×2 мм ^ Схематичне зображення моделі одиночної рамкової антени на екрані в різних пакетах показано на рис1

Одна зі сторін прямокутної рамки була розташована на екрані, а збудження антени здійснювалося симетричним портом на верхній стороні рамки

Рис 1 Схема моделювання рамкової антени

Бабушкіна О А, Білодід В І, Головков А А, Мамруков А В, Пивоваров І Ю Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет (ЛЕТІ) вул Проф Попова, м Санкт-Петербург, Росія, 197378 тел: 812-3464516, e-mail: Iab16@vilanspbru

Fig 1 Schematic of coil antenna modeling

Для перевірки достовірності отриманих результатів за допомогою аналізатора ланцюгів НР8720В було виконано вимір вхідного опору експериментального зразка антени, розташованої на екрані діаметром 350 мм

Експериментальні та отримані в результаті моделювання в різних пакетах частотні залежності вхідного імпедансу прямокутної рамки на екрані кінцевих розмірів показані на рис2

Рис 2 Частотні залежності вхідного

імпедансу прямокутної рамкової антени на круглому екрані

Fig 2 Frequency dependencies of input impedance for rectangular coil antenna on circular ground plane

З наведених результатів моделювання, отриманих за допомогою пакетів Ansoft HFSS, SuperNEC і Microwave Studio видно, що їх збіг один з одним, а також з експериментом досить гарна, що свідчить про достовірність отриманих результатів Істотні відмінності результатів спостерігаються тільки на низьких частотах Це пояснюється проблемами, що виникають при моделюванні електрично коротких антен, особливо в пакеті Ansoft HFSS

Аналогічне моделювання було виконано для цієї ж рамкової антени у вільному просторі У цьому випадку резонансна частота рамки становила приблизно 250 МГц, а речова частина вхідного імпедансу на резонансній частоті дорівнювала 35

кОм, тобто приблизно в два рази нижче, ніж у рамки, розташованої на екрані Уявні складові вхідного імпедансу рамкових антен у вільному просторі і над екраном були одного порядку

Діаграми спрямованості рамкової антени на провідному екрані також помітно відрізняються від відповідних діаграм спрямованості рамки у вільному просторі, як за формою і рівнем, так і по поляризаційним характеристикам Ці результати дозволяють оцінити вплив проводить екрану на характеристики пеленгатора на основі системи рамкових антен

Результати моделювання рамкової антени в режимі передачі дозволили сформувати електричну модель (еквівалентну електричну схему) антени в цьому режимі роботи у вигляді паралельного LCR контуру, для визначення граничних характеристик узгодження в смузі частот На основі теорії узгодження комплексних опорів з збудливим генератором було отримано співвідношення, що б мінімальне значення модуля коефіцієнта відображення | S | залежно від елементів електричної моделі антени у вигляді:

де– Добротність конденсатор

тора в робочій смузі частот узгоджувальний ланцюга ив-ω ,, ωρ – резонансна частота рамкової антени, ωο

– центральна частота робочого діапазону

Отримані граничні співвідношення дозволяють грамотно виконати проектування узгоджувальний ланцюга

Електрична модель рамкової антени в режимі передачі дозволила розробити модель рамки в режимі прийому Амплітуди напруги генератора еквівалентної ЕРС прийнятого сигналу на різних частотах були отримані в пакетах програм Microwave Studio, Ansoft HFSS при опроміненні рамки плоскою хвилею із заданими амплітудою, напрямками падіння і поляризацією електричного поля ЕРС відповідає напрузі на затискачах рамки в режимі холостого ходу У результаті моделювання була отримана частотна залежність ЕРС еквівалентного генератора прийнятого рамкою сигналу, при опроміненні антени полем плоскої хвилі амплітудою 1 Вольт / метр Ці результати дозволяють визначити чутливість активних рамкових антен

У роботі було також виконано моделювання системи рамкових антен на екрані обмежених розмірів і були отримані характеристики пеленгатора на основі таких антен

III                                  Висновок

Показано, що наявність проводить екрану кінцевих розмірів істотно впливає на імпедансні і польові характеристики рамкових антен, призводить до зміни резонансної частоти рамки і речової частини її імпедансу майже в два рази Ці явища необхідно враховувати при проектуванні пеленгаторів, що використовують системи з таких антен

[1] Марков Г Т, Сазонов Д М Антени – IVI: Енергія, 1975, 526 с

[2] Ашихмин А В Проектування та оптимізація понадширокосмугових антенних пристроїв і систем для апаратури радіоконтролю – М: Радіо і звязок, 2005, 486 с

EFFECT OF GROUND PLANE WITH CONFINED DIMENDIONS ON COIL ANTENNA PERFORMANCE

Babushkina O A, Bilodid V I, Golovkov A A, Mamrukov A V, Pivovarov I U

Electrotechnical University (LETI) St-Petersburg, 197376, Russia

phone: 812-3464516, e-mail: Iab16@vilanspbru

Abstract – Principal characteristics of coil antenna located on circular ground plane with confined dimensions are investigated Ultimate relationships for matching characteristic Sn of coil antenna are obtained using non-dissipative coupling networks Estimation of mutual coupling of several coil antennas arranged at a certain angle is performed

I                                         Introduction

Systems of coil antennas are widely used in location finding devices within meter to decimeter wavelength frequency band [1-2] These devices utilize conductive ground planes with confined dimensions to decrease mutual coupling of antennas operating within different frequency bands Asymmetric ground plane essentially changes impedance and field performance of both single coil and the system of coil antennas compared with their arrangement in free space

Variations of far field pattern shape and polarization properties lead to the errors in location finding, whereas variations of impedance characteristics cause decrease of operation frequency band of antenna

Particularly these variations become apparent in wide frequency band operation of antenna with frequency covering about К = fe / fH = 2 – ^ 5, and it is explained by necessity of location finding wideband waveforms, by requirements to decrease both the size of antenna part in location finder and of types and size of coils used

II                                        Main Part

To make mathematical model of the single coil antenna on conducting ground plane and in free space within frequency band 100-500 MHz and to check model reliability the electromagnetic modeling was made using Ansoft HFSS, SuperNEC, Microwave Studio software programs

Using the theory of matching for complex impedances with that of feeding oscillator the relationship is obtained for minimum value of reflection loss |S« |as a function of electric antenna model components

On the basis of electric transmit mode model of coil antenna the receive mode model also was made

System of coil antennas and characteristics of location finder based on this antenna system are also obtained and analyzed in the paper

III                                       Conclusion

It is shown, that conducting ground plane with finite size essentially affects the impedance and field characteristics of coil antennas and this leads to variation of resonant frequency and real part of impedance almost by a factor of two These phenomena should be taken into account in design the location finders with systems of coil antennas

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р