Исследование широкополосной вибраторной антенны



В представленной работе исследовалась широкополосность вибраторной антенны, при изменении расстояния между вибраторами, на широкополосную вибраторную антенну.

Антенны вибраторного типа выполняются из металлических проводов, лент или труб и питаются как двухпроводными фидерами, так и коаксиальными кабелями. Существует большое разнообразие симметричных и несимметричных вибраторов и способов их питания.

К вибраторным антеннам предъявляются требования: возможная простота конструкции и эксплуатации; симметричная диаграмма направленности в плоскости Е, круговая диаграмма направленности в плоскости Н, низкий коэффициент стоячей волны в линии питания в относительно широкой полосе рабочих частот; наличие регулировочных элементов, заданный уровень излучаемой мощности; высокий коэффициент полезного действия., устойчивый режим работы при воздействии дождя и мокрого снега, малый уровень кроссполяризационного излучения; удобное крепление на опоре, обеспечение молниезащиты и защиты от статических зарядов.

1. Описание конструкции антенны.

Антенна состоит из первого вибратора 1, второго вибратора 2, короткозамыкателей 3, симметрирующего устройства 4, фидера 5, соединителя радиочастотного 6. В антенне предусмотрены также конструктивные элементы, предназначенные для компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны.

Антенна возбуждается в зазоре между первым 7 и вторым 8 плечами первого вибратора 1, расположенном симметрично относительно оси симметрии антенны. Длина зазора не превышает одной пятидесятой длины волны. Поэтому неравномерностью в распределении тока на центральном проводнике кабеля в пределах зазора можно практически пренебречь. Следовательно, несимметричный коаксиальный кабель введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны.

Рис. 1. Широкополосная симметричная вибраторная антенна

2. Расчет геометрических размеров антенны.

Разобьём проводники антенны на сегменты. Два соседних сегмента примем за пробный или за истинный диполь. Чем больше таких диполей, тем теоретически выше точность вычисления влияния электромагнитных полей проводников антенны друг на друга. Однако при неограниченном увеличении количества сегментов уменьшается величина численного значения взаимной связи состоящих из них диполей, что приводит к увеличению ошибки вычислений и росту времени расчёта.

В качестве исходных размеров для численной модели антенны выберем следующие величины:

1. Длины первого и второго вибраторов L₁=L₂=1317 мм;
2. Радиус проводников первого и второго вибраторов и короткозамыкателей r=10 мм;
3. Расстояние между вибраторами b=56 мм;
4. Расстояние между короткозамыкателями S=360мм;
5. Длина симметрирующего устройства h=725 мм;
6. Расстояние между проводниками симметрирующего устройства D_СУ=140мм;
7. Радиус проводников симметрирующего устройства r_СУ=20 мм;
8. Длина согласующего отрезка фидера L_К= 125 мм.

Согласующий отрезок фидера имеет волновое сопротивление, равное 75 Ом, и коэффициент укорочения, равный величине 1,5.

Этот вариант антенны будем называть исходным вариантом.

При изменении расстояния между вибраторами, возьмем значения, равные ±20 % и ±10 % от номинального.

3. Расчет параметров антенны сначальными условиями.

Таблица 1

Координаты отрезков сначальными условиями

Рассчитаем параметры антенны на средней частоте 104 МГц и построим графики на частоте 92–116 МГц:

− Входное сопротивление (Ом): Z=72.54-j2.69

− коэффициент стоячей волны: 1.05.

Рис. 2. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты

Рис. 3. Зависимость мнимого и реального сопротивления от частоты

Рис. 4. Диаграмма направленности

4. Расчет параметров антенны при изменении расстояния между вибраторами.

Таблица 2

Координаты отрезков при изменении расстояния между вибраторами на 20% от номинального

Рис. 5. Зависимость действительной части входного сопротивления от частоты при различных расстояниях между вибраторами

Рис. 6. Зависимость мнимой части входного сопротивления от частоты при различных расстояниях между вибраторами

Рис. 7. Диаграмма направленности при различных расстояниях между вибраторами

Таблица 3

Зависимость коэффициента стоячей волны от уровня смещения вдиапозоне частот 92–116МГц

Изменение расстояния	коэффициента стоячей волны
	92 МГц	94 МГц	96 МГц	98 МГц	100 МГц	102 МГц	104 МГц	106 МГц	108 МГц	110 МГц	112 МГц	114 МГц	116 МГц
Номинальное	1,45	1,24	1,12	1,07	1,05	1,03	1,05	1,09	1,19	1,35	1,56	1,82	2,13
-20 %	1,76	1,47	1,3	1,22	1,24	1,28	1,33	1,38	1,46	1,58	1,74	1,94	2,18
-15 %	1,65	1,38	1,21	1,14	1,15	1,2	1,25	1,29	1,37	1,5	1,67	1,89	2,16
-10 %	1,56	1,31	1,15	1,06	1,08	1,13	1,17	1,22	1,3	1,44	1,63	1,86	2,14
+10 %	1,43	1,3	1,24	1,23	1, 2	1,14	1,08	1,05	1,14	1,32	1,55	1,83	2,17
+15 %	1,45	1,34	1,31	1,3	1,26	1,2	1,14	1,1	1,15	1,32	1,55	1,84	2,18
+20 %	1,49	1,4	1,37	1,36	1,31	1,25	1,19	1,14	1,17	1,33	1,56	1,86	2,2

Рис. 8. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты при различных расстояниях между вибраторами

Рис. 9. График зависимости ширины реальной полосы рабочих частот антенны от изменения расстояния между вибраторами

Заключение.

В данной работе было рассмотрено влияние, изменения расстояния между вибраторами, на широкополосную вибраторную антенну. Выявлена и показана на графиках зависимость коэффициента стоячей волны устройства на заданном диапазоне частот при изменении расстояния на ±20 %, ±15 % и ±10 % от номинального. В результате чего на интервале от 92–116 МГц изменение расстояния между вибраторами вызывает увеличение коэффициента стоячей волны в каждой соответствующей точке.

Можно сделать вывод, что при изменении расстояние между вибраторами: на +20 %, от номинального, условие: коэффициент стоячей волны <1.2, соблюдается на интервале 104–108 МГц. При изменении расстояния на +15 % интервал расширяется: 102–108 МГц. При уменьшении расстояния на 15 %: 98–102 МГц. Если изменить расстояние между вибраторами на +10 %, от номинального, интервал, на котором соблюдается условие коэффициент стоячей волны: 100–108 МГц. А если уменьшить на 10 % то, 96–104 МГц. Условие: коэффициент стоячей волны <1.2, не выполняется на всем измеряемом диапазоне частот, если расстояние между вибраторами уменьшить на 20 %. Допустимое отклонение расстояния между вибраторами, при сохранении заданной полосы рабочих частот, может составить +10 % от номинального.

Литература:

1. Широкополосные вибраторные антенны: учебное пособие / Н. И. Войтович, А. В. Ершов. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007.
2. И. Гончаренко. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. М.: «Радиософт». — 2002.