Предварительный расчет геометрических параметров антенны

Исходные данные для проектирования:

средняя частота рабочего диапазона f= 867 МГц;

относительный диапазон частот =10 %;

коэффициент направленного действия КНД=12 дБ.

Для дальнейших расчетов нам необходимо вычислить длину волны

λ=C/f

λ=3·10⁸/8,67·10⁸=0,346 (м)

Рассчитав длину волны λ, находим параметры директорной антенны:

длина рефлектора 0,52λ=0,346·0,52=0,179 (м);

длина вибратора 0,48λ=0,346·0,48=0,166 (м);

длина директора 0,45λ=0,346·0,45=0,155 (м);

расстояние между рефлектором и активным вибратором 0,21λ=0,072 (м);

расстояние между директорами 0,3λ=0,1038 (м).

Расчёт геометрических параметров нужен для получения оптимального режима. Конкретные значения реактивных сопротивлений рефлектора и директоров и соответственно их длины, зависят от расстояния между вибраторами, а также от числа директоров. Возможны различные комбинации длины и сечения вибраторов и расстояния между ними, при которых обеспечивается заданный КНД.

Результаты численного моделирования антенны

С помощью программы Mmana по геометрии антенны рассчитываем ее параметры. В программе реализован метод интегральных уравнений для тонкопроволочных антенн. По заданной пользователем геометрии проволочной антенны в программе рассчитываются распределение тока в проводниках антенны, входное сопротивление, диаграмма направленности по двум составляющим поля в двух ортогональных плоскостях, коэффициент усиления антенны и коэффициент направленного действия. Есть возможность учета влияния подстилающей поверхности (поверхности Земли) на параметры антенны, учета сосредоточенно включенных в проводники комплексных нагрузок, возбуждения антенны заданной геометрии в нескольких точках. Можно рассчитать антенную решетку из одинаковых излучателей. Многочисленные тестирования программы показали ее высокую эффективность.

После внесения расчетных параметров антенны в программу, оптимизируем антенну, изменяя число директоров, размеры рефлектора, вибратора, директоров и расстояния между ними так, чтобы получились исходные данные. При этом R должно стремиться к 50 Ом, а jx – к нулю. После этого находим частоту, при которой КНД максимальный. Результаты оптимизации на рисунке 1.

Рис. 1

Рис. 2 Графики ДН оптимизированной антенны для частоты f=814МГц

Рис. 3 Графики ДН оптимизированной антенны для частоты f=867МГц

Рис. 4 Графики ДН оптимизированной антенны для диапазона частоты f=859 – 875 МГц

Рис.5 Графики зависимости R, jx от частоты

Рис. 6 График зависимости КСВ от частоты

Рис. 7 График зависимости коэффициента усиления от частоты

Рис. 8 Получившаяся антенна в программе Mmana

Заключение

Для увеличения КНД применяют вибратор с рефлектором и одним или несколькими директорами. Такая антенна называется директорной и широко используется в различных областях радиосвязи в диапазоне УКВ. Чем больше директоров, тем больше КНД и уже главный лепесток ДН. Обычно КНД директорных антенн равен 10...30, но известны конструкции директорных антенн с КНД=80...100.

Конкретные значения реактивных сопротивлений рефлектора и директоров и соответственно их длины, зависят от расстояния между вибраторами, а также от числа директоров. Возможны различные комбинации длины и сечения вибраторов и расстояния между ними, при которых обеспечивается заданный КНД.

Список литературы

1. Методическое пособие курсу ”Антенны и устройства СВЧ”: «Резонансные и апертурные антенны», часть 2, Минск 2001г. .

2. Шпиндлер Э. «Практические конструкции антенн», Москва 1989г. .

3. Численное моделирование проволочных антенн. Методическое пособие по дисциплине «Антенны и устройства СВЧ».//Юрцев О.А., Улановский А.В., Заневский Д.В., Бобков Ю.Ю. Мн.: БГУИР, 2002.

4. Фрадин Ф.З. Антенно-фидерные устройства. –М.: Связь. 1977.