Исследование широкополосного конического монополя диапазона средних волн
Исследование широкополосного конического монополя диапазона средних волн
Аннотация
Антенны стационарных радионавигационных систем диапазона средних волн должны обеспечивать полосу рабочих частот по уровню КСВ < 1.5 не менее 500 кГц. Простые конструкции антенн в виде прямолинейного несимметричного вертикального вибратора не удовлетворяют этому требованию, либо должны иметь слишком большую высоту. Вместе с тем известен тип антенны Monocone, представляющей собой перевернутый конус и обеспечивающей существенно более широкую полосу частот при сравнительно малой высоте.
В работе описана математическая модель антенны Monocone, проведено электродинамическое моделирование ее характеристик. Определены параметры конструкции антенны, оптимальные с точки зрения обеспечения согласования в рабочей полосе частот при сохранении приемлемых габаритных размеров антенны.
1. Введение
К антеннам стационарных радионавигационных систем диапазона средних волн (1,6-2,2 МГц) предъявляются требования низкого уровня КСВ в широкой полосе рабочих частот, постоянства характеристик, механической надежности при сохранении приемлемых габаритных размеров. Простые конструкции антенн в виде прямолинейного несимметричного вертикального вибратора не удовлетворяют этим требованиям, в первую очередь по уровню согласования в полосе рабочих частот. Электродинамическое моделирование показывает, что даже при использовании согласующих цепей для прямолинейного вертикального вибратора высотой 22 м ширина полосы частот по уровню КСВ < 2 составляет не более 60 кГц, тогда как полоса рабочих частот радионавигационной системы средних волн равна 500 кГц. Для улучшения согласования требуется увеличение высоты вибратора, что ограничено техническими возможностями изготовления и в большинстве случаев неприемлемо.
Существенно более широкой полосой рабочих частот обладают биконические антенны и антенны в форме конического монополя. Теоретическое обоснование их функционирования было приведено еще в статьях [1] и [2], там же показано, что биконическая антенна неограниченных размеров может обладать неограниченной же полосой рабочих частот.
Несмотря на давнюю историю, интерес к антеннам такого типа сохраняется. В диапазоне средних волн антенны в виде сплошного конуса неприменимы, поскольку будут обладать неприемлемо большой массой и ветровой нагрузкой. В связи с этим используется аппроксимация конусов в виде набора радиальных проводников. Исследованию антенн такого типа посвящено множество работ: в [3] с помощью электродинамического моделирования проведен анализ характеристик проволочной биконической антенны в зависимости от ее конструктивных параметров, в статье [4] проведены аналогичные исследования для проволочной моноконической антенны, расположенной над идеально проводящей поверхностью. Результаты экспериментальных исследований моноконической антенны приводятся в [5]. Статья [6] описывает модификацию антенны, состоящую из двух конусов, соединенных основаниями. Вопросу расширения рабочей полосы частот при сохранении вертикальных габаритов моноконической антенны уделяется внимание в [7].
Во всех упомянутых работах рассматриваются антенны в виде набора радиальных проводников, расходящихся из вершины конуса. Как будет показано ниже, добавление дополнительных проводников, образующих "сетчатую" конструкцию антенны, позволяет получить дополнительное расширение полосы рабочих частот в низкочастотную область. Также приведенных в статьях не рассматривается влияние на характеристики антенны подстилающей земной поверхности, и расположенных на ней противовесов, что принципиально важно в диапазоне средних волн.
Темой настоящей работы является поиск конструкции антенны, оптимальной с точки зрения указанных выше требований. Далее такой тип антенн называется Monocone.
2. Методы и принципы исследования
Модель антенны Monocone представляет собой набор соединенных между собой прямолинейных проводников. Для обозначения составных элементов модели далее приняты следующие названия (рисунок 1): вертикалы – наклонные проводники, соединенные в нижней части антенны в точке D, и образующие нижний конус; горизонталы – горизонтальные кольцеообразные проводники, соединяющие между собой вертикалы; радиалы – наклонные проводники, соединенные в верхней части антенны в точке H, и образующие верхний конус; кольца – проводники, аналогичные горизонталам, соединяющие между собой радиалы. К кольцам относится также перемычка между вертикалами в точках соединения их с радиалами. Противовесы – радиально расположенные вблизи поверхности земли проводники, соединенные в точке P; мачта – центральный вертикальный проводник, соединяющий точки H и D. Питание антенны осуществляется включением симметричного источника между точками P и D. Соответствующий проводник далее называется сегментом питания.
Модель описывается следующими общими параметрами: h – высота антенны, м; d – длина сегмента питания, м; O – начало координат; H – верхняя точка сборки радиалов; D – нижняя точка сборки вертикалов (первая точка питания); P – точка сборки противовесов (вторая точка питания).
Рисунок 1 - Модель антенны Monocone, вид сбоку
Рисунок 2 - Модель антенны Monocone, вид сверху
HN – количество горизонталов; CN – количество колец. Кольца и горизонталы равномерно распределены вдоль образующей соответственно верхнего и нижнего конусов. Диаметр проводников колец, горизонталов и радиалов полагается равным диаметру проводников вертикалов.
Параметры противовесов: PN – количество противовесов; pr – радиус противовесов, м; ph – высота точки подключения противовесов, м; pl – высота свободных концов противовесов, м; pwr – радиус проводников противовесов, м.
Электрофизические параметры: σw – проводимость проводников антенны, См/м; σg – проводимость подстилающего грунта, См/м; εg – относительная диэлектрическая проницаемость грунта.
По известным исходным параметрам могут быть вычислены следующие характеристики антенны: WN – общее количество проводников в модели, Lw – общая протяженность проводников, Lv – протяженность подвешенных проводников (т.е., сегмента питания, мачты, вертикалов, горизонталов, радиалов и колец), Lp – протяженность противовесов.
В качестве иллюстрации на рисунке 3 приведена модель антенны со следующими геометрическими параметрами: h = 30 м; d = 0.15 м; VN = 8; vr = 14; vh = 22 м; vwr = 0.001 м; HN = 2; CN = 3; PN = 32; pr = 12 м; ph = 0.5 м; pl = 0.05 м. При этом Lw = 1004.2 м, Lv = 619.9 м, Lp = 384.3 м.
Рисунок 3 - Модель антенны Monocone
Для построения полной электродинамической модели найдем положение вершин всех проводников модели. Координаты представим в виде (P1, P2) = (x1, y1, z1, x2, y2, z2), где точка P1 = (x1, y1, z1) – начало проводника, P2 = (x2, y2, z2) – его конец.
Нумерация вертикалов принята по часовой стрелке, смотря с положительного направления оси z: vn = 1…VN, вертикал с номером vn = 1 лежит в плоскости xOz. Угол поворота vn-го вертикала вокруг оси z определяется как αvn=2π(vn−1) / VN, vn = 1...VN. Аналогичным образом пронумерованы противовесы, pn = 1…PN. Угол поворота pn-го противовеса вокруг оси z: αpn=2π(pn−1) / PN, pn = 1...PN. Кольца нумеруются от периферии к центру антенны: cn = 1…CN. Горизонталы нумеруются от нижней точки сборки вертикалов D в направлении соединения с радиалами: hn = 1…HN .
Координаты основных точек модели: O = (0, 0, 0); P = (0, 0, ph); D = (0, 0, d + ph); H = (0, 0, h). Центральная мачта и сегмент питания определяются своими вершинами: (P, D) и (D, H), соответственно. Противовесы (рисунок 4), от точки сборки Р до внешних концов: (P, pr cos αpn, pr sin αpn, pl).
Рисунок 4 - Координаты противовесов
Точки соединения вертикалов и горизонталов Vvn, hn разделяют вертикалы по длине на равное количество частей HN + 1 (рисунки 5, 6). Для определения координат данных точек может быть получено следующее выражение [8]: Vvn,hn = (rhncos αvn, rhnsin αvn, z1(1−thn) + z2thn), где rhn = x1(1−thn) + x2thn, thn = t hn, x1 = Dx, z1 = Dz, x2 = vr, z2 = vh, vn = 1...VN, hn = 1...HN + 1.
Рисунок 5 - Точки соединения вертикалов и горизонталов, вид сбоку
Рисунок 6 - Точки соединения вертикалов и горизонталов, вид сверху
Координаты точек соединения радиалов и колец при CN > 0 определяются аналогично точкам соединения вертикалов и горизонталов, рисунки 7, 8: Cvn, cn = (rcncos αvn, rcnsin αvn, z1(1−tcn) + z2thn), rcn = x1(1−tcn) + x2tcn, tсn = t(cn−1), t = 1/CN, x1 = vr, z1 = vh, x2 = Hx, z2 = Hz, vn = 1...VN, сn = 1...CN.
Рисунок 7 - Точки соединения радиалов и колец, вид сбоку
Рисунок 8 - Точки соединения радиалов и колец, вид сверху
Координаты колец: (Cvn, cn, Cvn+1, cn), (CVN, cn, C1, cn), vn = 1...VN−1, cn = 1...CN.
Общее количество проводников в модели составляет WN = VN (2HN + CN + 1) + RN + PN + 2. Здесь RN – количество радиалов, при этом RN = VN при СN = 0 и RN = CN⋅VN при СN > 0.
Для автоматического синтеза модели антенны в среде MATLAB разработана программа MMD (рисунок 9), обеспечивающая расчет координат проводников в соответствии с введенными исходными данными, и экспорт полученной модели в файлы NEC и FEKO.
Рисунок 9 - Интерфейс программы MMD
3. Основные результаты
Целью исследований является поиск антенны с наименьшей добротностью, вычисленной в пределах рабочей полосы частот, что должно дать наилучшую степень согласования с фидерным трактом при использовании согласующих цепей.
Основные параметры антенны заданы в соответствии с техническими ограничениями изготовления конструкции антенны и составляют: высота монополя h = 22 м, радиус противовесов pr = 12 м, радиус монополя vr = 14 м, высота точки подключения противовесов ph = pl = 0.326 м, длина сегмента питания d = 0.15 м. Количество противовесов PN = 32, радиусы проводников vwr = 1 мм и pwr = 1 мм.
Предыдущие исследования, результаты которых приведены в [9], показывают, что наименьшей добротностью обладает модель антенны с vh = h. Также показано, что увеличение количества вертикалов более VN = 16 не имеет смысла. Дальнейшее рассмотрение направлено на определение оптимального количества остальных элементов антенны.
Моделирование проведено с помощью системы NEC-2D [10], в среде GNEC [11] для «средних» параметров земли: εg = 13, σ = 0.005 См/м.
Ниже рассмотрены результаты расчетов входного сопротивления и КСВ антенны при различном количестве вертикалов VN, горизонталов HN и колец CN. Характерные примеры соответствующих моделей показаны на рисунках 10-14.
Рисунок 10 - Модель антенны для VN = 16, HN = 0, CN = 0
Рисунок 11 - Модель антенны для VN = 16, HN = 0, CN = 1
Рисунок 12 - Модель антенны для VN = 16, HN = 0, CN = 3
Рисунок 13 - Модель антенны для VN = 16, HN = 2, CN = 1
Рисунок 14 - Модель антенны для VN = 32, HN = 8, CN = 8
Рисунок 15 - КСВН моделей антенны при различном количестве колец, VN = 16, HN = 0
Рисунок 16 - КСВН моделей антенны при различном количестве горизонталов, VN = 16, CN = 1
Рисунок 17 - КСВН «предельных» моделей антенны
4. Заключение
В ходе проведенной работы были разработаны математическая и электродинамическая модель антенны типа Monocone. Проведен расчет характеристик моделей с различным количеством элементов антенны. Показано, что при сохранении заданных габаритных размеров наилучшей с точки зрения согласования является модель антенны с параметрами VN = 16, HN = 0, CN =1. Электрическое соединение верхних точек вертикалов одним кольцом весьма желательно с точки зрения улучшения согласования. Наличие горизонталов и увеличение количества колец практически не влияет на электрические характеристики антенны.
Для подтверждения полученных расчетных результатов в ходе дальнейших исследований предполагается разработка, изготовление и измерение характеристик масштабного макета антенны, полученного путем переноса модели по принципу электродинамического подобия на более высокую частоту.