Проектирование и анализ директорной антенны

Директорная антенна, известная также как антенна Уда - Яги или антенна “Волновой канал”, благодаря своей простоте, низкой стоимости и относительно высокому усилению, является одним из самых популярных типов направленных антенн, широко используемых в диапазонах коротких и ультракоротких волн (от 30 МГц до 3 ГГц). Наиболее известным применением антенны Уда - Яги является ее использование для приема программ телевизионного вещания и ее очень часто можно увидеть на крышах зданий.

Два японских профессора Уда и Яги придумали и изучили эту антенну еще в 1920-х годах. Первую такую антенну построил С. Уда и в 1926 и 1927 годах опубликовал результаты в Японии [1]. Годом позже проект получил дальнейшее развитие, и был опубликован его коллегой профессором Яги на английском языке [2]. С тех пор инженерами и энтузиастами был выполнен существенный объем теоретической и главным образом экспериментальной работы. Стало доступно огромное количество их данных и результатов.

Существенной особенностью этого типа антенны, является то, что при изменении ее положения в пространстве она обладает практически неизменными параметрами и, кроме того, ее характеристики не зависят от погодных явлений. Как показано на рис. 1, данная антенна состоит из трех различных элементов: ведомого элемента, рефлектора (одного или нескольких) и директора (одного или нескольких).

Рис.1 Директорная антенна

Часто эту антенну рассматривают как массив (антенную решетку), поскольку она состоит из нескольких элементов. Однако запитываемым – активным элементом антенны является только один ведомый элемент. Все остальные элементы антенны (рефлектор и директор) являются пассивными – паразитными элементами, поэтому чаще всего их рассматривают не в качестве элементов массива, а в качестве элементов собственно антенны. Основные характеристики этих элементов и рекомендации по их проектированию могут быть сведены к следующему:

1. Продольные размеры первых трех элементов антенны изменяются от длинного к короткому и связаны логарифмически:

где τ – некоторая постоянная близкая к единице (τ ≈ 0,83 ÷ 0,96).

У некоторых многоэлементных антенн продольные размеры нескольких последних директоров или даже всех директоров, могут быть одинаковыми.

2. Ведомый элемент определяет поляризацию и центральную частоту антенны. В случае полуволнового диполя его рекомендуемая длина составляет около 0,475λ. Полуволновой диполь хорошо согласуется с питающим фидером с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.

3. Рефлектор перенаправляет излученную энергию вперед в сторону ведомого элемента. Длина рефлектора примерно на 5% больше размера ведомого элемента антенны. Его сопротивление носит индуктивный характер. Было установлено, что добавление большего числа рефлекторов не приводит к значительным улучшениям, поэтому чаще всего в антенне один рефлектор. Оптимальное расстояние между рефлектором и ведомым элементом находится между 0,1λ и 0,25λ. Длина рефлектора сильно влияет на относительный уровень заднего излучения и входное сопротивление антенны.

4. Директор направляет излученную энергию вперед в сторону противоположную ведомому элементу и рефлектору. Длина директора примерно на 5% меньше размера ведомого элемента антенны. Его сопротивление носит емкостной характер. Количество директоров определяет максимально достижимую направленность и усиление антенны. Однако при увеличении числа директоров более 12, эффект от количества директоров на направленность антенны значительно падает и, кроме того, резко снижается входное сопротивление антенны. Поэтому при большом количестве директоров в качестве ведомого элемента, как правило, используется петлевой вибратор (вибратор Пистолькорса). Оптимальное расстояние между директорами находится между 0,1λ и 0,35λ. У более длинных массивов интервал больше, у более коротких массивов интервал меньше.

5. Поперечный размер элементов антенны, диаметр их трубок или ширина их полос, находится между 0,01λ и 0,001λ. Поперечный размер элементов оказывает значительное влияние на входное сопротивление антенны.

Регулируя расстояния между элементами антенны и изменяя их размеры можно управлять полосой пропускания, формой и шириной образца излучения антенны. Полный образец излучения антенны формируют: направленное усиление, отношение усиления в направлении приема к усилению в противоположном направлении, ширина луча и нежелательный уровень боковых лепестков.

Выбор разнообразных целей, которые можно преследовать при проектировании антенны, является субъективным, и ограничения, накладываемые этим выбором, являются главным образом вопросом выбора разработчика, что и объясняет наличие огромного числа различного рода рекомендаций и методик по проектированию таких антенн.

В этих условиях большое значение приобретает возможность быстрой оценки влияния результатов небольшой модификации расчетной геометрии антенны на полный образец ее излучения. Эта возможность позволяет получить хорошее понимание не только потенциала выбранных рекомендаций и методов проектирования, но и самой проектируемой антенны.

Наиболее удобно такая возможность реализуется с помощью компьютерной программы работающей в диалоговом режиме, когда разработчик может внести некоторые изменения и сразу увидеть, как эти изменения отразились на результате.

Подобная программа анализа директорной антенны реализована в математическом пакете "Mathcad" организованном по принципу What You See Is What You Get (англ. – то, что Вы видите, то Вы и получите). Отличительной особенностью таких программ является то, что их язык максимально приближен к знакомому еще со средней школы обычному языку символьной математики, и освоение такого языка программирования происходит весьма просто и почти на интуитивном уровне. Программа работает в пакетах Mathcad версий 11 и выше.

Для расчета взаимного влияния проводниковых элементов антенны произвольной длины и толщины в программе используется метод моментов [3]. В этом методе сначала вычисляется матрица импеданса [Z]: взаимных импедансов между дипольными элементами и собственного импеданса i - го элемента. Матрица импеданса позволяет затем вычислить токи всех элементов, а, следовательно, можно вычислить усиление в плоскостях пространства и импеданс в точке возбуждения.

Исходными данными для расчета и анализа параметров антенны являются: рабочая частота антенны, волновое сопротивление фидера, напряжение на входных выводах ведущего элемента (для удобства сравнения антенн разных типов, это напряжение следует выбирать так, чтобы оно обеспечивало ток ведущего элемента близкий к одному амперу), расстояние от антенны до точки наблюдения (расстояние до дальней зоны антенны), общее число элементов антенны, число рефлекторных элементов, число директорных элементов.

Программа сама рассчитает предварительную геометрию антенны, однако эта геометрия будет оптимизирована под оптимальное волновое сопротивление питающего фидера. Если же следует выполнить анализ характеристик антенны рассчитанной по другим методикам или антенны с уже известной геометрией, необходимо сразу ввести известную геометрию антенны в разделе “Описание геометрии антенны”, заменив вычисленные программой данные на требуемые.

Для описания геометрии антенны в программе используются одномерные массивы в виде вектора. Если, например, требуется ввести сведения о размерах длин элементов, то ввод значений вектора осуществляется следующим образом:

1. Ввод начинают с наиболее удаленного рефлектора, двигаясь внутрь к ведущему элементу. После ввода длины и радиуса ведущего элемента вводят параметры директорных элементов, начиная с директора, следующего сразу за ведущим элементом, двигаясь наружу к последнему элементу.

2. Численное значение размера очередного элемента вводят через запятую.

3. Дробная часть численного значения отделяется от целой части не запятой, а точкой.

Результат таких действий после ввода размеров рефлектора, ведомого элемента и первого директора показан на рис. 2.

Рис. 2 Ввод длины элементов антенны

По введенным входным величинам будут вычислены следующие характеристики антенны: максимальная интенсивность излучения, излучаемая антенной мощность, сопротивление излучения, коэффициент направленного действия антенны, эффективная изотропная излучаемая мощность, коэффициент отражения по напряжению в питающем фидере, коэффициент стоячей волны напряжения в питающем фидере, отражающая эффективность системы фидер – антенна, максимальная эффективная площадь антенны, максимальная эффективная высота антенны. Будут вычислены и некоторые другие второстепенные величины, которые могут представлять для разработчика тот или иной интерес. Для удобства блоки Mathcad вычисляемых величин выделены желтым цветом, а две вычисляемые характеристики, значения которых важны при ручной оптимизации антенны, выделены голубым цветом.

Программа выполнит также построение графиков амплитудно - частотной характеристики (АЧХ) антенны и ее образцов излучения. В качестве образцов излучения антенны будут построены нормализованные диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости и плоскости возвышения. Диаграммы направленности будут построены в декартовой, полярной и прямоугольной системах координат. Кроме того будут построены два трехмерных образца излучения один из которых будет выполнен в разрезе. Трехмерные образцы излучения позволяют с помощью нажатия и удерживания на изображении левой кнопки мыши осуществлять за счет ее перемещения в разные стороны поворот объемного образца излучения вокруг всех его трех осей координат. С помощью колесика мыши можно уменьшать или увеличивать масштаб изображения трехмерного образца излучения, что позволяет лучше изучать отдельные детали образца излучения.

По умолчанию в качестве ведомого вибратора антенны в программе рассматривается полуволновой диполь. Однако если требуется выполнить вычисления характеристик антенны использующей в качестве ведомого петлевой вибратор, необходимо в разделе “Анализ параметров антенны” включить блок вычисления собственного импеданса петлевого вибратора. Для этого необходимо поместить курсор на изображение данного выражения, и нажав правую кнопку мыши, в появившемся контекстном меню выбрать пункт “Включить вычисление”, так, как это показано на рис.3.

Рис. 3 Включение вычислений определения собственного импеданса петлевого вибратора

Кроме того, для того чтобы подпрограмма расчета АЧХ антенны также выполняла вычисления АЧХ антенны использующей в качестве ведомого петлевой вибратор, необходимо в разделе “Построение амплитудно-частотной характеристики антенны” заменить значение переменной FD на единицу.

Переменные “Director”, “Reflector,” “Diameter” и “Frequency” позволяют в режиме реального времени выполнять модификации расчетной или исходной геометрии антенны и наблюдать влияние этих модификаций на полный образец излучения антенны и ее АЧХ. Для удобства блоки Mathcad этих переменных выделены зеленым цветом.

В заключение отметим, что использование компьютеризированного подхода к расчету и анализу директорных антенн дает несколько значительных преимуществ перед экспериментальным подходом. Среди таких преимуществ очевидная экономия времени и денег, а также возможность получения конструкций антенн оптимизированных относительно одного или даже нескольких желаемых параметров, таких как направленность, уровень боковых лепестков, ширина полосы пропускания и других.

Программа находится в прикрепленном архиве.

ЛИТЕРАТУРА

1. S. Uda, “Wireless beam of short electric waves,” J. IEE (Japan), 1926, March, pp. 273-282 и 1927, November, pp. 1209-1219.

2. Yagi, H., “Beam Transmission of Ultra-short Waves,” Proc. IRE, 1928, vol. 16, no. 6, pp. 715–740.

3. Thomas A. Milligan, “Modern Antenna Design”, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005.

М. Агунов, Н. Вербова, г. Санкт-Петербург

Теги:

• Антенна