Электрически малые вибраторные, спиральные и петлевые антенны

Abstract

Приведены результаты исследований в диапазоне СВЧ основных радиотехнических характеристик линейных проволочных электрически малых антенн, важными свойствами которых являются малые размеры и масса. При исследованиях применяются как теоретические приближенные и строгие, так и экспериментальные методы. Расчеты выполнены приближенными и строгим методом интегрального уравнения с использованием современных компьютерных программных сред super NEC, FEKO и других. Впервые предложен метод структурно-параметрической оптимизации и приближенного анализа таких антенн с включенными в излучающие ветви сосредоточенными индуктивными и емкостными нагрузками. Предложены приближенные формулы для определения значений включаемых в штыревые и петлевые изогнутые антенны реактивных нагрузок и формулы для определения их входных сопротивлений. По этим формулам выполнены расчеты значений индуктивных и емкостных нагрузок, которые подтверждены экспериментально. Впервые приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований добротности и КПД штыревых, спиральных и петлевых электрически малых антенн с включенными в их ветви реактивными нагрузками. Из полученных результатов следует, что при уменьшении электрического размера плеча штыревых изогнутых антенн до значений 0,01…0,03 длины рабочей волны относительно размера плеча обычных неукороченных антенн значения КПД антенн снижаются до 20 % и менее при значениях добротности потерь в пределах от 130 до 1 000. Из результатов измерений КПД также следует, что укорочение электрической длины исследуемых антенн вдвое относительно обычного размера, как с включенными индуктивными нагрузками, так и выполненных в виде цилиндрической спирали, приводит к снижению КПД этих антенн от 100 % до 75…85 % по сравнению с обычными штыревыми антеннами. Укорочение электрической длины втрое снижает КПД антенн до 40…50 %. Дальнейшее укорочение подобных антенн приводит к дальнейшему снижению их КПД. Приведенный в статье материал может быть полезен при разработке электрически малых и миниатюрных антенн и антенных решеток в микрополосковом и другом исполнении.

Наведено результати досліджень у діапазоні НВЧ основних радіотехнічних характеристик лінійних дротових електрично малих антен, важливими властивостями яких є малі розміри і маса. При дослідженнях застосовуються як теоретичні наближені і строгі, так і експериментальні методи. Розрахунки виконані наближеними і строгим методом інтегрального рівняння з використанням сучасних комп’ютерних програмних середовищ super NEC, FEKO та інших. Вперше запропоновано метод структурно-параметричної оптимізації і наближеного аналізу таких антен з включеними у випромінюючі гілки зосередженими індуктивними і ємнісними навантаженнями. Запропоновано наближені формули для визначення значень включених у штирові і петльові вигнуті антени реактивних навантажень і формули для визначення їх вхідних опорів. За цими формулами виконані розрахунки значень індуктивних і ємнісних навантажень, які підтверджені експериментально. Вперше наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень добротності і ККД штирових, спіральних і петльових електрично малих антен з включеними в їх гілки реактивними навантаженнями. З отриманих результатів випливає, що при зменшенні електричного розміру плеча штирьових вигнутих антен до значень 0,01…0,03 довжини робочої хвилі щодо розміру плеча звичайних антен значення ККД антен знижуються до 20 % і менше при значеннях добротності втрат в межах від 130 до 1 000. З результатів вимірювань ККД також випливає, що зменшення електричної довжини досліджуваних антен вдвічі щодо звичайного розміру, як з включеними індуктивними навантаженнями, так і виконаних у вигляді циліндричної спіралі, знижує ККД цих антен від 100 % до 75…85 % в порівнянні зі звичайними штировими антенами. Зменшення їх електричної довжини втричі знижує ККД антен до 40…50 %. Подальше вкорочення подібних антен призводить до подальшого зниження їх ККД. Наведений у статті матеріал може бути корисний при дослідженні і розробці електрично малих і мініатюрних антен в мікросмужковому та іншому виконанні.

The results of studies in the range of microwave radio characteristics of linear wire electrically small antennas, which important properties are small size and weight, are presented. In the studies theoretical approximate, rigorous, and experimental methods are applied. The calculations are performed by approximate and rigorous integral equation using modern computer software environments super NEC, FEKO and others. For the first time we propose the method of structural-parametric optimization and approximate analysis of antennas with included lumped inductive and capacitive loads in the emitting branches. Approximate formulas for determining the value include curved pin and loop antenna reactive loads and formulas to determine their input impedances. According to these formulas, we perform the calculations of the values of inductive and capacitive loads, which are confirmed experimentally. The results of theoretical and experimental studies of Q-factor and efficiency of pin, spiral and loop electrically small antennas with reactive loads included in their branches are presented for the first time. The results show that when reducing the electric size of arm of pin bent antennas to values of 0.01 to 0.03 with respect to the operating wavelength of conventional antennas arm size, the efficiencies of antennas are reduced to 20 % or less for values of Q-factor losses in the range of 130 to 1 000. From the efficiency measuring results it follows that shortening the electrical length of investigated antennas by half, relative to the usual size, both with included inductive load, and as a cylindrical helix, reduces the efficiency of these antennas from 100 % to 75…85 % as compared with conventional pin antennas. Shortening the electrical length reduces the efficiency of the antenna three times up to 40…50 %. Obviously further shortening leads to further reduction of antennas efficiency. The material contained in the article may be useful for research and development of electrically small and miniature antennas in microstrip and other performance.