Research on the Design Features of an Antenna in the Form of a Conical Monopole

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.125.20
Issue: № 11 (125), 2022
Suggested:
08.09.2022
Accepted:
11.10.2022
Published:
17.11.2022
152
0
XML PDF

Abstract

An antenna in the form of a conical monopole of the medium-wave range Monocone, formed by a net of conductors, is examined. By means of electrodynamic simulation, the design characteristics important for the development and fabrication of an experimental sample antenna are established. It is shown that the choice of conductor material, as well as the radius of the antenna, does not significantly affect its characteristics, due to which these parameters can be chosen from considerations of ease of technical feasibility. Three ways of excluding vertical conductors from the antenna necessary for experimental studies are also reviewed, it is noted that the experiments should use the method of disconnection at the upper and lower points of the assembly simultaneously.

1. Введение

Антенны, имеющие форму конического монополя, позволяют обеспечить хорошее согласование с фидерной линией в широкой полосе рабочих частот и благодаря этому находят применение в различных радиотехнических приложениях: широкополосная связь, радионавигация, радиомониторинг. Исследованию антенн такого типа посвящено большое количество работ [1], [3], [5], [8], в которых они называются Monocone в силу характерной формы. Также существуют серийно выпускаемые промышленные образцы [9], [10], применяемые в системах радиосвязи в  диапазонах коротких и средних волн, однако точных данных об их размерах, конструктивных особенностях и используемых при изготовлении материалах не приводится.

Для разработки и практической реализации образца антенны Monocone диапазона средних волн необходимо определить ряд конструктивных параметров, которые могут оказать существенное влияние на общую конструкцию антенны и затраты на ее изготовление. К ним относятся: выбор материала проводников антенны и их сечение; способы присоединения проводников к центральной несущей мачте; присутствие проводника, проложенного вдоль центральной мачты и его сечение, и другие.

2. Методы и принципы исследования

Упрощенная модель антенны Monocone показана на рисунке 1. Проводники, далее называемые «вертикалами», образуют поверхность конуса и соединяются между собой в верхней H и нижней D точках. Таким образом, формируется верхнее «плечо» антенны излучающий монополь. Вторым плечом антенны является радиальная сетка проводников, называемых противовесами, расположенная на подстилающей поверхности. Питание антенны осуществляется включением симметричного источника между нижней точкой соединения вертикалов и точкой соединения противовесов.

Модель антенны Monocone

Рисунок 1 - Модель антенны Monocone

Далее в настоящей работе с помощью электродинамического моделирования проведено исследование характеристик модели антенны Monocone, работающей в диапазоне частот 1,61-2,21 МГц. Моделирование проведено с помощью системы NEC-2D [11], в среде GNEC [12] для «средних» параметров подстилающей поверхности: ε = 13, σ = 0.005 См/м.

3. Основные результаты

Сначала определим, каким образом влияет материал вертикалов на электрические характеристики антенны Monocone. Далее различные модели антенн будем обозначать в виде МVN, где VN – количество вертикалов. Рассмотрим антенну М16 со следующими параметрами: количество вертикалов VN = 16, высота монополя h = 22 м, радиус противовесов pr = 12 м, радиус монополя vr = 14 м. Количество противовесов PN = 32. Радиус проводников и противовесов одинаков и равен 1 мм.

При моделировании проведен расчет входного сопротивления и добротности модели антенны для вертикалов, изготовленных из идеального проводника PEC (бесконечная проводимость, σ = ∞), меди (σ = 58∙106 См/м), алюминия (σ = 38∙106 См/м), стали (σ = 7,7∙106 См/м) и нержавеющей стали (σ = 2∙106 См/м). Рассчитанное в NEC-2D входное сопротивление моделей антенн приведено на рисунках 2, 3 в абсолютных значениях и на рисунках 4, 5 в виде отклонения от случая с материалом PEC.

Входное сопротивление модели антенны (активная часть) для различного материала вертикалов

Рисунок 2 - Входное сопротивление модели антенны (активная часть) для различного материала вертикалов

Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) для различного материала вертикалов

Рисунок 3 - Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) для различного материала вертикалов

Входное сопротивление модели антенны (активная часть) для различного материала вертикалов, отклонение от PEC

Рисунок 4 - Входное сопротивление модели антенны (активная часть) для различного материала вертикалов, отклонение от PEC

Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) для различного материала вертикалов, отклонение от PEC

Рисунок 5 - Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) для различного материала вертикалов, отклонение от PEC

Анализ полученных результатов позволяет заключить, что материал проводов вертикалов практически не влияет на электрические характеристики антенны. Выбор материала следует производить, исходя из механических и конструкционных свойств (например, трос из нержавеющей стали).

Далее рассмотрим, как влияет на электрические характеристики антенны радиус проводов, из которых будут изготовлены вертикалы. Общая протяженность вертикалов в антенне типа Monocone весьма велика: для опытного образца антенны с приведенными выше параметрами она составляет 632 м. Таким образом, радиус и погонная масса провода вертикалов будут весьма сильно влиять на общую массу антенны.

Результаты расчета входного сопротивления модели антенны при изменении радиуса в пределах 1…10 мм приведены на рисунках 6, 7 в виде отклонения от случая 1 мм. Как видно из рисунков, изменение сопротивления весьма незначительно и составляет доли Ом для активной составляющей и единицы Ом для реактивной. По-видимому, этим изменением можно пренебречь и принять в качестве допустимого радиус, равный 1…2 мм. Окончательно радиус проводов следует выбрать, исходя из соображений механической прочности.

Входное сопротивление модели антенны (активная часть) в зависимости от радиуса вертикалов

Рисунок 6 - Входное сопротивление модели антенны (активная часть) в зависимости от радиуса вертикалов

Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) в зависимости от радиуса вертикалов

Рисунок 7 - Входное сопротивление модели антенны (реактивная часть) в зависимости от радиуса вертикалов

При построении опытного образца антенны Monocone необходимо экспериментальным образом определить минимальное количество вертикалов VN, достаточное для обеспечения требуемых характеристик. В дальнейших экспериментальных исследованиях планируется разработка и изготовление образца антенны с VN = 16. Затем, при проведении экспериментов, путем исключения части вертикалов из конструкции будет определено влияние их количества на характеристики антенны.

Исключение вертикалов можно проводить тремя способами, по мере уменьшения трудоемкости:

1. Полное физическое удаление отключаемых вертикалов из конструкции антенны;

2. Отключение одновременно в верхней H и нижней D точках соединения;

3. Отключение только в верхней точке соединения D.

Очевидно, что наиболее достоверные результаты будут получены по способу 1, однако этот способ является и самым трудоемким. Необходимо провести моделирование, направленное на поиск различий в характеристиках антенны при сравнении трех указанных способов.

Далее рассмотрим характеристики антенны для следующих случаев:

1. Количество вертикалов VN = 16, 8, 4;

2. Способы исключения: удаление; отключение в верхней точке D; отключение в верхней и нижней точках H + D.

Соответствующие модели антенн обозначаются в виде МVN-AA, где AA – способ исключения. Итого будет получено 7 конструкций: М16, М8, М4, М8-D, М8-D-Н, М4-D, М4-D-Н, которые сравниваются по критерию совпадения входного сопротивления и добротности. Все прочие параметры оставлены без изменения.

Моделирование показывает, что метод отключения только в нижней точке D, самый удобный с точки зрения реализации, к сожалению, является неприемлемым: характеристика входного сопротивления приобретает выраженный резонанс (рисунки 8, 9). Этот эффект объясняется тем, что свободные вертикалы, оставшиеся подключенными в верхней точке сборки Н, действуют как емкостная нагрузка значительной величины, которая добавляется к комплексному входному сопротивлению антенны и образует резонансный контур. 

Входное сопротивление моделей М8-D и М4-D (активная часть), отключение вертикалов в верхней точке D

Рисунок 8 - Входное сопротивление моделей М8-D и М4-D (активная часть), отключение вертикалов в верхней точке D

Входное сопротивление моделей М8-D и М4-D (реактивная часть), отключение вертикалов в верхней точке D

Рисунок 9 - Входное сопротивление моделей М8-D и М4-D (реактивная часть), отключение вертикалов в верхней точке D

Далее рассмотрим антенны М4-D-Н и М8-D-Н, образованные путем отключения вертикалов одновременно в верхней и нижней точках. Графики входного сопротивления показаны на рисунках 10, 11, соответствующие значения добротности равны приведены в таблице 1.
Входное сопротивление моделей антенн (активная часть), отключение вертикалов в верхней и нижней точках

Рисунок 10 - Входное сопротивление моделей антенн (активная часть), отключение вертикалов в верхней и нижней точках

Входное сопротивление моделей антенн (реактивная часть), отключение вертикалов в верхней и нижней точках

Рисунок 11 - Входное сопротивление моделей антенн (реактивная часть), отключение вертикалов в верхней и нижней точках

Таблица 1 - Добротность моделей антенн

Наименование модели

Добротность Q

М16

0,827

М8

1,068

М8-D-Н

0,956

М4

1,54

М4-D-Н

1,432

Как видно из представленных результатов, сопротивления моделей антенн с полностью удаленными вертикалами, и вертикалами, отключенными в двух точках, весьма близко совпадают, при этом добротность отличается не более чем на 12%. Поэтому с достаточной точностью можно считать, что отключение вертикалов одновременно в верхней и нижней точках является приемлемым методом для проведения экспериментов с разным количеством вертикалов.

4. Заключение

В результате проведенных исследований рассмотрены различные модели антенны Monocone. Показано, что при проведении экспериментальных исследований образца антенны с целью выбора необходимого числа вертикалов допустимо отключать неиспользуемые вертикалы в верхней и нижней точках сборки, без физического удаления вертикалов из конструкции. Также установлено, что материал проводников вертикалов антенны и их радиус не оказывают значимого влияния на входное сопротивление антенны и ее добротность, что дает возможность произвести выбор, руководствуясь соображениями механической прочности, доступности и технической реализуемости.

Article metrics

Views:152
Downloads:0
Views
Total:
Views:152