Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками

Abstract

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования распределения амплитуды комплексного тока, входных сопротивлений, коэффициента стоячей волны по напряжению и диаграмм направленности многочастотных и двух-частотных линейных проволочных антенн СВЧ-диапазона с четвертьволновыми коаксиальными, двухпроводными шунтами и с сосредоточенными реактивными нагрузками. В результате исследований выяснено, что при постоянной длине четвертьволнового шунта, прикрепленного к антенне, и при разных размерах антенны относительно шунта она может приобретать или терять свойство многочастотности: при длине проволочного стержня, выступающего за пределы шунта, равной нечетному числу четвертей короткой волны верхнего частотного диапазона, режим многочастотности соблюдается; в противном случае режим многочастотности отсутствует. Предложен и проверен экспериментально принцип устранения отмеченного недостатка и создания двухчастотных антенн для работы с произвольным соотношением совмещаемых частот. Этот принцип заключается в корректировке электрической длины указанного проволочного стержня антенны, выступающего за пределы шунта, путем последовательного включения в его разрыв сосредоточенной реактивной нагрузки, значение которой должно удовлетворять двум условиям: созданию максимальной разности потенциалов в раскрыве шунта на верхней рабочей частоте и обеспечению режима последовательного резонанса антенны на нижней частоте. Приведены результаты исследования в виде таблиц и графиков распределения тока, входных сопротивлений, коэффициента стоячей волны по напряжению и диаграмм направленности подобных антенн, а также значений индуктивных нагрузок, рассчитанных по предложенному выражению и включаемых последовательно в выступающую часть стержня антенны за пределами шунта. Экспериментально проверен предложенный метод расчета и оптимизации подобных двухчастотных антенн для работы с произвольным соотношением совмещаемых частот. Отмечено, что исследованная двухчастотная антенна с двухпроводными линейными шунтами и с включенными индуктивными нагрузками является одним из перспективных вариантов при разработке малогабаритных двухчастотных антенн и антенных решеток в микрополосковом исполнении.

Наведено результати теоретичного та експериментального дослідження розподілу амплітуди комплексного струму, вхідних опорів, коефіцієнту стоячої хвилі за напругою і діаграм спрямованості багаточастотних і двочастотних лінійних дротових антен НВЧ-діапазону з чвертьхвильовими коаксіальними, двопровідними шунтами і з зосередженими реактивними навантаженнями. У результаті досліджень з’ясовано, що при постійному розмірі чвертьхвильового шунта багаточастотних антен, прикріпленого до антени, і при різних розмірах антени щодо шунта, вона може набувати або втрачати властивість багаточастотності: при довжині дротяного стержня, що виступає за межі шунта на непарне число чвертей короткої хвилі верхнього частотного діапазону, режим багато-частотності дотримується. В іншому випадку режим багаточастотності не зберігається. Запропоновано і перевірено експериментально принцип усунення зазначеного вище недоліку і створення двочастотних антен для роботи з довільним співвідношенням частот, що суміщаються. Цей принцип полягає в доопрацюванні електричної довжини зазначеного дротяного стержня антени, який виступає за межі шунта, шляхом послідовного включення в його розрив зосередженого реактив-ного навантаження, значення якого повинно відповідати двом умовам: cтворенню максимальної різниці потенціалів у роз-криві шунта на верхній робочій частоті і забезпеченню режиму послідовного резонансу антени на нижній робочій частоті. Наведено результати дослідження у вигляді таблиць і графіків розподілу струму, вхідних опорів, коефіцієнту стоячої хвилі за напругою і діаграм спрямованості подібних антен, а також значень індуктивних навантажень, розрахованих за пропонованим методом і які включаются послідовно у виступаючу частину стержня антени за межами шунта. Експериментально перевірено запропонований метод розрахунку та оптимізації двочастотних антен для роботи з довільним співвідношенням частот, які суміщаються. Зазначено, що досліджена двочастотна антена з двопровідними лінійними шунтами і з включеними індуктивними навантаженнями є одним з перспективних варіантів для розробки малогабаритних двочастотних антен і антенних решіток у мікросмужковому виконанні.

The results of a theoretical and experimental study of the distribution of the amplitude of a complex current, input resistances, the standing wave voltage coefficient, and the directional patterns of multifrequency and two-frequency linear microwave wire antennas with quarter-wave coaxial, two-wire shunts and with concentrated reactive loads are presented. As a result of the research, it was found that with a constant size of a quarter-wave shunt attached to the antenna and with different sizes of the antenna relative to the shunt, it can acquire or lose the multifrequency property. Namely, with the length of the wire rod protruding beyond the shunt equal to an odd number of quarters of the short wave of the upper frequency range the multifrequency mode is observed. Otherwise, the multifrequency mode is not respected. The principle of eliminating the drawback noted above and the creation of two-frequency antennas for working with an arbitrary ratio of co-placed frequencies is proposed and tested experimentally. This principle consists in adjusting the electrical length of the wire rod of the antenna that protrudes beyond the shunt by sequentially including a concentrated reactive load in its rupture, the value of which must satisfy two conditions. Namely, the condition for creating the maximum potential difference in the opening of the shunt at the upper operating frequency and the condition for ensuring the mode of successive resonance of the antenna at the lower operating frequency. The results of the research are presented in the form of tables and graphs of current distribution, input resistances, VSWR and directional patterns of similar antennas, as well as the values of inductive loads calculated according to the proposed expression and included in the protruding part of the antenna rod outside the shunt. The proposed method for calculating and optimizing two-frequency antennas for working with an arbitrary ratio of compatible frequencies was experimentally tested. It is noted that the investigated two-frequency antenna with two-wire linear shunts and with included inductive loads, is one of the promising options for the development of small-size dual-frequency antennas and antenna arrays in microstrip performance.