Анотація – Наведено результати чисельного дослідження методом FDTD впливу форми широкосмугового планарного вібратора типу bow-tie на його характеристики узгодження та випромінювання Встановлено, що найкращі характеристики має плоский вібратор колоколообразной форми

I                                       Введення

Стрімке лрогресс в лоследніе роки у створенні радіосистем, в яких іслользуются UWB-сигнали (чому слособствовало дозвіл в 2002 р Федеральної комісії США ло телекомунікацій на широке іслользованіе діапазону частот 3100-10600 1 \ / 1Гц), зумовив потребу в малогабаритних простих антенах з перекриттям по частоті не менше 3:1 Поставленим умовам задовольняє диполь з плечима трикутної форми, більше відомий у літературі як антена типу «метелики» або bow-tie antenna

Перше всебічно дослідження bow-tie антени [1] показало істотну залежність її характеристик від кута розкриву антени Θ і необхідність запіткі антени фідером з великим хвильовим опором Розширення робочої смуги частот за допомогою резистивної [2] і ємнісний [3] навантаження істотно ускладнює антену Поліпшити характеристики стало можливим при зміні профілю антени Серед відомих модифікацій слід зазначити bow-tie з обрізаними кутами [4] і bow-tie з ребрами, профільованими по еліптичному закону [5], в яких досягнута робоча смуга 90%

II                              Основна частина

Характеристики bow-tie антени, такі як вхідний опір і коефіцієнт посилення, сильно залежать від форми антени Оскільки струм головним чином зосереджений біля бічних ребер bow-tie антени, то можна очікувати, що форма бічної поверхні має найбільший вплив на характеристики узгодження антени Разом з тим, можна очікувати слабкої залежності характеристик такої антени від форми її торця, де струм незначний

| / 1сследованія проводилися за допомогою методу скінченних різниць у часовій області (FDTD), який дозволяє отримати частотні залежності активної та реактивної складових вхідного опору антени, а також розподіл струму в антені і діаграми спрямованості на будь-яких частотах (в робочій смузі частот) при проведенні лише одного розрахунку, що є дуже зручним при аналізі широкосмугового антени При використанні розбиття з кроком сітки λ/25, що є компромісом між швидкістю і точністю обчислень, результати численних і експериментальних досліджень звичайної bow-tie антени збігаються дуже добре

Оскільки в [6] зазначалося, що bow-tie антена з кутом розкриву Θ 45 ° має найбільшу робочу по

Рис 1 Профілі bow-tie антени: 1-лінійний, 2 – логарифмічний, 3-експонентний, 4 – колоколообразний

Дубровка Ф Ф, Василенко Д А Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» пр Перемоги, 37, м Київ, 03056, Україна тел: 044-2747989, e-mail: vddimon@yandexru

Fig 1 Profiles of bow-tie antenna:

1                 – linear, 2 – logarithmic, 3 – exponential,

4 – bell-shaped

l/l3 аналізу фізичних процесів, що протікають в антенах з різними профілями (рис1), і результатів розрахунків можна зробити висновок, що ключову роль для узгодження має форма антени в точці харчування Так, експонентний профіль створює в точці харчування дуже гострий кут, що наближає антену з таким профілем до класичного диполю, а, отже, характеристики активного і реактивного опорів мають яскраво виражені резонанси

Логарифмічний профіль, навпаки, створює в точці живлення досить широку базу з плавним переходом до бічної поверхні антени, що разом із збільшенням шляху протікання струму по боковій поверхні призводить до значного зменшення реактивного опору в нижній частині робочої смуги частот антени і зменшує середнє значення активної складової вхідного опору при одночасному вирівнюванні відносного рівня резонансних максимумів Це дозволяє узгодити антену при харчуванні фідером з хвильовим

опором 100 Ом при відношенні

де L – довжина плеча вібратора, λ – довжина хвилі

н

на нижній частоті робочої смуги частот, яка задовольняє умовам КСХН <2 (для порівняння, при лінійному профілі таке узгодження забезпечується при фідері з хвильовим опором

200 Ом при відношенні[6]) Слід

помітити, що широка база в точці харчування без забезпечення плавного переходу до бічної поверхні антени забезпечує рівномірне зменшення активної складової вхідного опору і зберігає відносно великий рівень першого резонансу, що, безумовно, ускладнює узгодження такої антени

Враховуючи важливість геометрії антени в точці харчування, цікавим уявлялося дослідження колоколообразного профілю антени, який забезпечує більшу ширину вібратора в точці харчування, а надалі нагадує логарифмический профіль Виявилося, що колоколообразний профіль забезпечує найбільш низький рівень реактивної складової вхідного опору з усіх досліджуваних профілів, що разом зі значно меншим порівняно з лінійним профілем активним опором забезпечує можливість узгодження антени при значенні хвильовогоопору фідера 75 Ом з відношенням

Колоколообразний, як і логарифмічний, профіль забезпечують трохи більший коефіцієнт спрямованої дії (КНД) в межах робочої смуги частот, що може бути пояснено більшою площею диполя, ніж у випадку лінійного профілю Однак КНД починає спадати при більш низьких частотах Це, очевидно, повязано з тим, що забезпечення широкої бази в точці харчування збільшує шлях протікання струму, і, як наслідок, призводить до більш швидкої появи протифазних ділянок Поліпшити ситуацію можливо, якщо зменшити поперечний розмір антени Так, для колоколообразного профілю з геометричними розмірами 2Lχ^6L

значення відношення, де λ – довжина

У

хвилі на верхній частоті робочої смуги частот Це значення визначається умовою КНД> 2, оскільки надалі діаграма спрямованості набуває яскраво виражену трігорбость Воно відповідаєдля лінійного профілю У цьому

випадку антена забезпечує перекриття 3,9: 1

Для випадку розглянутих вище профілів бічної сторони плеча антени проводилося дослідження різноманітних профілів торцевого кінця антени (круглий, еліптичний, сінусообразную), довжина плеча вібратора збільшувалася на величину доповнення При цьому характер зміни вхідного опору і КНД в функції від частоти залишився фактично незмінним Однак, завдяки збільшенню поздовжнього розміру антени зменшується нижня робоча частота, зберігаючи перекриття по частоті майже без змін Слід також зауважити, що відхід від плоского профілю торця антени призводить до менш ефективного використання геометричних розмірів антени, оскільки нижня робоча частота зростає повільніше, ніж збільшується довжина плеча вібратора

III                                  Висновок

Шляхом підбору профілю бічної сторони плоского вібратора і розширення бази антени в точці харчування можна зменшити хвильовий опір живильного фідера, при якому забезпечується задовільний узгодження

Найкращі характеристики узгодження та випромінювання забезпечує колоколообразний профіль: відношення довжини плеча такого вібратора до довжини хвилі на нижній робочій частоті одно 0,165 коефіцієнт перекриття за частотою становить 3,9:1 при КСХН <2 і хвильовому опорі фідера 75 Ом.

IV                           Список літератури

[1] Brown G Н, Woodward О М Experimentally determined radiation characteristics of conical and triangular antennas 11 RCA Review – 1952 – Vol13 – P 425-452

[2]  KurtL Shlager, Glenn S Smith, James G Maloney Optimization of bow-tie antennas for pulse Radiation if IEEE Transactions on Antennas and Propagation – 1994 – Vol42 – № 7 – P 975-982

[3]  Andrian Andaya Lestarl, Alexander G Yarovoy, Leo P Lig- thart RC-loaded bow-tie antenna for improved pulse radiation if IEEE Transactions on Antennas and Propagation – 2004 – Vol52 – № 10 – P 2555-2563

2004  KatsukI KImlnamI, Akimasa HIrata, ToshlyukI Shlozaw Dou- ble-Sided Printed Bow-Tie Antenna for UWB Communications // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters -Vol3-№-P 152-153

[4]  AbdelnasserA Eldek, AfefZ ElsherbenI, Charles E Smith Microstrip-Fed Printed Lotus Antenna For Wdeband Wireless Communication Systems// IEEE Antennas and Propagation Magazine-2004-Vol46 – № 6 – P 164-173

[5] Шірокосмугова планарно Дипольна антена / / Молодь і сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ-2006, 17-22 квітня, 2006р, Севастополь, Крим, Україна – С 71

INFLUENCE OF PROFILE OF BOW-TIE ANTENNA ON ITS INPUT IMPEDANCE AND GAIN

Dubrovka F F, Vasylenko D A

National Technical University of Ukraine »KPi» 37Pobedi Ave, Kyiv, 03056, Ukraine Ph: 044-2747989, e-maii: vddimon@yandexru

Abstract – Results of the numerical investigation of influence of profile of ultra wideband dipole on the input impedance and radiation patterns are described Numerical results have been obtained by using Finite Difference Time Domain Method

I                                         Introduction

Since 2002 much attention has been paid to commercial ultra wide band (UWB) systems It is of a particular interest to design a compact antenna with good impedance matching characteristics over the whole UWB frequency range (31-106 GHz) Also, gain flatness and phase linearity are required for UWB antennas to suppress distortion of waveforms Bow-tie antennas are one of the promising candidates for UWB applications However, the bandwidth of conventional printed bow-tie antennas is not yet sufficient to cover the UWB frequency band [5,6]

II                                        Main Part

Bow-tie antenna with flare angle 0=45° has been chosen as a basis for the numerical investigation Exponential profile gives characteristics very similar to normal dipole and is very narrowband A wide base of a bell-shaped and logarithmic dipole helps to achieve a wider matching bandwidth A «bell»- profile in comparison with linear profile lengthens the current path and reduces the resonance frequency It helps to achieve electrical size at fj_ in terms of wavelengths 0165 Furthermore a bell-shaped dipole has higher gain than linear profile

III                                       Conclusion

It is shown that by varying of the profile of ultra wideband dipole good matching with 75Q-feeder can be obtained The best characteristics have shown the bell-shaped dipole It provides 118 % impedance bandwidth that covers the entire UWB band

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