Электродинамическое моделирование некоторых типов широкополосных вибраторных антенн

ВВЕДЕНИЕ

 

В нашем современном обществе в настоящее время телекоммуникационные системы играют важнейшую роль, их присутствие намного упростили жизнь современного человека. Современные системы телекоммуникаций состоят из различных сложных приборов и устройств, среди которых можно отметить компьютеры, модемы, коммуникаторы – всё то, что можно объединить в сеть, через которую информация передаётся при помощи коммуникационных каналов. В роли данных каналов выступают как проводные, так и беспроводные линии связи. Кабельное телевидение, радио, телефонная и мобильная связь – всё это называется системами телекоммуникации.

Форма, размеры и конструкция  антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых  волн и назначения антенны. Применяются  антенны в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной  конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели (щелевая антенна), спиралей из металлических  проводов и другие.

Каждая антенна как  пассивное линейное устройство может  работать в режимах передачи и  приёма. В обоих режимах антенна характеризуется направленными, поляризационными, фазовыми свойствами и входным импедансом. К основным характеристикам и параметрам, описывающим эти свойства, относятся: полоса пропускания, поляризация, входной импеданс и коэффициент стоячей волны (КСВ), диаграмма направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД), эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ), коэффициент усиления антенны (КУ), фазовая диаграмма (ФД), коэффициент полезного действия (КПД), шумовая температура антенны (ТА).

Во многих практических приложениях радиотехники: в радиосвязи, в радиолокации и радионавигации, в устройствах специального назначения и других областях к передающей антенне, как правило, предъявляется требование работы в широком диапазоне частот. Стремительный рост количества каналов УКВ радиовещания и телевизионного вещания, наблюдающийся в последнее время, обуславливает потребность в широкополосных передающих антеннах, которые могли бы обеспечить работу нескольких радиостанций при использовании общего фидера от передатчиков, установленных на поверхности Земли, к антенне, установленной на высоте несколько сотен метров относительно поверхности Земли. Такие антенные системы должны обеспечивать передачу сигналов нескольких передатчиков, работающих на разных частотных каналах и перекрывать один или несколько диапазонов радиовещания, например УКВ1, или УКВ2. При этом должна обеспечиваться высокая степень согласования антенны с фидером и круговая диаграмма направленности (ДН) антенны в горизонтальной плоскости.

Одной из основных задач  современной радиоэлектроники является синтез широкополосных радиосистем и широкополосных радиосигналов с последующей их обработкой. Расширение полосы частот обусловлено современными тенденциями в развитии радиолокации, телекоммуникаций, радиотехники с целью повышения скорости передачи информации, повышения уровня помехозащищенности и емкости радиосистем, а также защищенности передаваемой информации.

Целью настоящей дипломной работы является электродинамическое моделирование некоторых широкополосных антенн в среде CST MICROWAVE STUDIO. Программа использует различные методы расчета поля (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных частот). Основной метод − расчет переходного процесса решает задачи возбуждения структуры радиоимпульсами, что отличает её от большинства других программных продуктов.

 

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ  ВОПРОСА.

 

1.1 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕОРИИ АНТЕНН.

 

Современная теория антенн базируется на основных уравнениях электродинамики − уравнениях Максвелла. Эти уравнения являются обобщением данных опыта, и их справедливость подтверждается практикой.

Электромагнитное поле в каждой точке в каждый момент времени определяется четырьмя величинами: векторами и характеризующими электрическое поле, и векторами и характеризующими магнитное поле. При указанных условиях уравнения Максвелла в дифференциальной форме записываются в виде:

 (1)

где − вектор комплексной амплитуды напряженности электрического поля, В/м;

           − вектор комплексной амплитуды напряженности магнитного поля, А/м;

          ε − диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м;

          µ − магнитная проницаемость среды, Гн/м;

          − вектор комплексной амплитуды объемной плотности стороннего электрического тока, А/м²;

         − вектор комплексной амплитуды объемной плотности стороннего магнитного тока, В/м².

Сторонний магнитный ток является фиктивной  величиной, поскольку магнитных зарядов в природе не существует. Однако введение этого понятия позволяет значительно упростить целый ряд расчетов.

Для решения уравнений Максвелла (1) обычно вводят два вспомогательных векторных поля: векторный запаздывающий потенциал электрических токов и векторный запаздывающий потенциал магнитных токов . Векторы электромагнитного поля и определяются через эти вспомогательные векторы следующим образом:

 (2)

Векторы и удовлетворяют следующим векторным неоднородным уравнениям Гельмгольца:

 (3)

Таким образом, интегрирование уравнений  Максвелла сводится к нахождению решений векторных неоднородных уравнений (3). Решение задачи об излучении заданного распределения токов приводит к следующему результату:

, ,

где ;

       x, y, z − декартовы координаты точки наблюдения;

       , , − декартовы координаты точки интегрирования;

       − элемент объёма.

Решения уравнений Максвелла являются единственными, если эти решения: 1) удовлетворяют соответствующим граничным условиям на поверхностях раздела сред; 2) удовлетворяют условиям излучения на бесконечности (принципу излучения на бесконечности); 3) являются конечными во всех областях, не содержащих -образных источников.

При расчете энергетических характеристик  антенн важное значение имеет теорема Умова − Пойнтинга. В комплексной форме эта теорема сводится к соотношению

 (4)

где − внешняя нормаль к поверхности , охватывающей объем , содержащий возбуждающие источники.

Правая  часть этого уравнения определяет комплексную мощность, отбираемую от генераторов. Первый член в левой части уравнения равен комплексной мощности, выходящей из объема , второй член определяет реактивную  мощность в объеме , и третий член характеризует мощность, выделяемую в объеме в виде тепла. Плотность потока мощности, выходящей из объема , определяется комплексным вектором Пойнтинга

 (5)

 

1.2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

 

1. Определение, структурная схема и классификация антенн

Антенной  называется устройство, осуществляющее преобразование (трансформацию) направляемых электромагнитных волн в радиоволны и, наоборот, радиоволн − в направляемые электромагнитные волны. Из этого определения  следует, что преобразование волн является основным назначением антенн. Кроме  собственно излучения и приема радиоволн, другим назначением антенн является пространственное распределение электромагнитной энергии при излучении и пространственная избирательность при приеме.

В качестве излучающей системы могут  фигурировать реальные электрические  токи, текущие по металлическим поверхностям, эквивалентные электрические и  магнитные токи на замкнутых поверхностях, окружающих антенну, а также токи электрической и магнитной  поляризации  в объёмах, занимаемых магнитодиэлектриками. Распределитель предназначен для создания нужного закона распределения излучающих токов, обеспечивающего формирование требуемой характеристики направленности. Согласующее устройство предназначено  для обеспечения режима питающей линии, близкого к режиму бегущей  волны.

Выбор антенны для конкретного радиоканала определяется путем сравнения различных антенн с целью выяснения, насколько полно каждый тип будет удовлетворять тактико-техническим требованиям, предъявляемым к системе. Для проведения такого сравнения необходимо иметь целый ряд

показателей, достаточно полно характеризующих антенну каждого типа.

Рис. 1. Структурная схема антенны.

 

Антенны классифицируются по:

1. Направленность излучения и приема. По этому признаку антенны

подразделяются  на:

− слабонаправленные антенны (линейные размеры  которых меньше длины волны или соизмеримы с ней);

− умеренно направленные антенны ( порядка единиц );

− остронаправленные антенны ( >10 ).

2. Принцип действия и конструктивное выполнение. Любая антенна содержит вполне определенные конструктивные элементы (проводники, отверстия, щели, замедляющие структуры и т.п.), которые излучают электромагнитные волны при условии, что эти элементы обтекаются токами проводимости или смещения.

3. Характер сканирования. В несканирующих антеннах луч занимает фиксированное положение, а в сканирующих можно управлять его пространственным положением.

Помимо  перечисленных выше основных признаков классификации, существуют второстепенные признаки классификации антенн:

− область применения: связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные и т.п.;

− место размещения: стационарный наземный объект, мобильный наземный объект, борт морского корабля, летательные аппараты (самолет, ракета, космический аппарат);

− диапазон волн: антенны СДВ, ДВ, СВ, КВ, УКВ;

− диапазонность: узкополосные ( <10%), широкополосные      (10%≤ <100%), сверхширокополосные ( ≥100%);

− режим работы антенны: передающие, приемные, приемопередающие.

2. Векторная комплексная диаграмма направленности антенн.

Поле  излучения антенны является вектором, который характеризуется амплитудой, фазой и ориентацией в пространстве. В связи с этим различают амплитудную, фазовую и поляризационную диаграммы направленности. Наглядное представление о распределении энергии волн в пространстве даёт амплитудная характеристика (диаграмма) направленности, определяемая

Рис. 2. Сферическая система координат.

зависимостью  амплитуды напряженности создаваемого антенной поля от направления в пространстве при фиксированном расстоянии. Направление определяется азимутальным ( ) и меридиональным ( ) углами сферической системы координат (Рис. 2). При этом поле измеряется (или рассчитывается) на одном и

том же (достаточно большом) расстоянии от антенны.

Амплитудную диаграмму направленности часто  называют просто диаграммой направленности. Пространственная (объемная) диаграмма

направленности изображается в  виде поверхности 

Пространственная  диаграмма направленности, у которой  максимальное значение равно единице, называется нормированной и обозначается как . Она легко получается из ненормированной путем деления всех ее значений на максимальное

 (6) 

Очевидно, построение пространственных диаграмм направленности неудобно. Поэтому на практике обычно строят сечения диаграмм направленности какой-либо плоскостью, в которой они изображаются плоской  кривой или в полярных или декартовых системах координат (Рис. 4).

Помимо  рассмотренных выше диаграмм направленности по напряжённости поля (амплитудных  диаграмм направленности) _{иногда используют диаграммы направленности антенны по мощности , которые определяют зависимость плотности потока мощности}

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны.

 

излучаемого антенной поля от направления в пространстве при фиксированном расстоянии. Выразим плотность потока мощности в дальней зоне антенны через напряженность поля

     (7)

Поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды      напряженности

Рис. 4. Тороидальная диаграмма направленности

элементарного вибратора.

электрического поля, то

 (8)

В тех случаях, когда необходимо получить изображение боковых лепестков  низкого уровня, целесообразно использовать логарифмический масштаб 

 (10)

В этом случае по оси ординат откладываются  значения диаграммы направленности в децибелах.

Уровень боковых лепестков определяется отношением величины наибольшего и  главного лепестков. Он может выражаться в разах, процентах и децибелах. Иногда задаются требования на уровень  боковых лепестков в 

Рис. 5. Фазовая диаграмма (а) и эквифазная поверхность (б) антенны.

некотором секторе углов либо даже на уровень задних лепестков. Антенны, которые должны быть ненаправленными, характеризуют коэффициентом равномерности диаграммы направленности, под которым подразумевают отношение минимального значения напряженности поля к максимальному.

Диаграммы направленности антенны по полю или  мощности не дают исчерпывающей информации о ее направленных свойствах. В ряде случаев, например, в фазовых системах, необходимо знание фазовой диаграммы направленности антенны, под которой понимают зависимость.

фазы поля излучения от направления  при постоянном расстоянии от антенны  и выбранном начале координат: при