Research of a Broadband Cone Monopole of the Medium Wave Range
Research of a Broadband Cone Monopole of the Medium Wave Range
Abstract
Antennas for fixed mid-wave radio navigation systems must provide an operating frequency bandwidth of at least 500 kHz in terms of VSW < 1.5. Simple antenna designs in the form of a rectilinear asymmetrical vertical vibrator do not meet this requirement, or must be of too large a height. However, there is a known type of antenna Monocone, which is an inverted cone and provides a significantly wider frequency band at a relatively low height.
The mathematical model of the Monocone antenna is described in the work, and the electrodynamic modeling of its characteristics is made. The parameters of the antenna design, optimal from the point of ensuring coordination in the operating frequency band while maintaining acceptable overall dimensions of the antenna, were determined.
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.