Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками
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 коа...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2017
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130192 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками / В.В. Овсяников // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130192 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Овсяников, В.В. 2018-02-08T17:56:10Z 2018-02-08T17:56:10Z 2017 Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками / В.В. Овсяников // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1028-821X PACS: 84.40. Ba DOI: doi.org/10.15407/rej2017.03.047 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130192 621.396.67 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. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Микроволновая и терагерцевая техника Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками Аналіз характеристик двочастотних (тричастотних) антен з реактивними навантаженнями Analysis of characteristics of two-frequency (three-frequency) antennas with reactive loads Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| spellingShingle |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками Овсяников, В.В. Микроволновая и терагерцевая техника |
| title_short |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| title_full |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| title_fullStr |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| title_full_unstemmed |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| title_sort |
анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками |
| author |
Овсяников, В.В. |
| author_facet |
Овсяников, В.В. |
| topic |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| topic_facet |
Микроволновая и терагерцевая техника |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Аналіз характеристик двочастотних (тричастотних) антен з реактивними навантаженнями Analysis of characteristics of two-frequency (three-frequency) antennas with reactive loads |
| description |
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.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130192 |
| citation_txt |
Анализ характеристик двухчастотных (трехчастотных) антенн с реактивными нагрузками / В.В. Овсяников // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 47-57. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ovsânikovvv analizharakteristikdvuhčastotnyhtrehčastotnyhantennsreaktivnyminagruzkami AT ovsânikovvv analízharakteristikdvočastotnihtričastotnihantenzreaktivniminavantažennâmi AT ovsânikovvv analysisofcharacteristicsoftwofrequencythreefrequencyantennaswithreactiveloads |
| first_indexed |
2025-11-27T01:32:44Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:32:44Z |
| _version_ |
1850791123954434048 |
| fulltext |
МІКРОХВИЛЬОВА ТА ТЕРAГЕРЦОВА ТЕХНІКА
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 © В. В. Овсяніков
УДК 621.396.67
PACS 84.40. Ba
В. В. Овсяников
Днепропетровский национальный университет имени О. Гончара
72, пр. Гагарина, Днепр (Днепропетровск), 49010, Украина
E-mail: ovsyan37@i.ua
АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ДВУХЧАСТОТНЫХ (ТРЕХЧАСТОТНЫХ) АНТЕНН
С РЕАКТИВНЫМИ НАГРУЗКАМИ
Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования распределения амплитуды комплексного то-
ка, 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 со-
средоточенными 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 корот-
кой волны верхнего частотного диапазона, режим многочастотности соблюдается; в противном случае режим многочастотности отсутст-
вует. 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, рассчитан-
ных 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 произ-
вольным соотношением совмещаемых частот. Отмечено, что исследованная двухчастотная антенна с двухпроводными линейными
шунтами и с включенными индуктивными нагрузками является одним из перспективных вариантов при разработке малогабарит-
ных двухчастотных антенн и антенных решеток в микрополосковом исполнении. Ил. 12. Табл. 3. Библиогр.: 13 назв.
Ключевые слова: двухчастотная антенна с шунтами, распределение амплитуды комплексного тока на антенне, входное
сопротивление антенны, коэффициент стоячей волны по напряжению, индуктивная нагрузка.
Развитие индустрии средств телеком-
муникации, радиолокации, радионавигации, кос-
мических систем и других отраслей промышлен-
ности предъявляет к линейным проволочным ан-
теннам и антенным решеткам на их основе требо-
вания по расширению частотного диапазона ра-
боты. Многочастотные и двухчастотные вибра-
торные антенны обычно обеспечивают одновре-
менную передачу или прием радиоволн на не-
скольких фиксированных частотах или частотных
диапазонах. Им присущи улучшенные входные
параметры, а именно активная составляющая
входного сопротивления ),( вхR близкая к волно-
вому сопротивлению питающего фидера, и реак-
тивная ),( вхХ равная или близкая к нулю на за-
данных разнесенных между собой частотах (диа-
пазонах) при обеспечении на этих частотах необ-
ходимых диаграмм направленности (ДН). Такие
антенны находят применение для обеспечения
работы многочастотной радиоаппаратуры при
установке ее на мобильных объектах, подлежа-
щих защите от обнаружения радиопеленгацион-
ными средствами путем, например, скачкообраз-
ного изменения рабочих частот (диапазонов).
Аналогично многочастотным антеннам
двухчастотные должны также обеспечивать на
разнесенных рабочих частотах требуемые прием-
лемые входные параметры и ДН. Они востребо-
ваны для работы в известных дуплексных мо-
бильных наземных системах телекоммуникаций,
например, GSM, VODAFONE, LIFE CELL, а также
в дуплексных спутниковых системах передачи
информации типа GLOBALSTAR, IRIDIUM,
ELLIPSO, GPS и других. Зачастую они применя-
ются в виде антенн и антенных решеток в микро-
полосковом исполнении.
В работе [1] рассмотрена двухчастотная
симметричая антенна с так называемыми нагруз-
ками – «ловушками» в виде последовательно
включенных в ветви антенны сосредоточенных
колебательных LС-контуров. Длина плеча этой
симметричной антенны d 0,25 н 0,50 ,в где
н и в – длины волн нижней )( н и верхней
)( в рабочих частот.
Однако подобные антенны имеют пони-
женный коэффициент полезного действия (КПД)
из-за джоулевых потерь в их LС-контурах и в
настоящее время не являются актуальными, так
как известны альтернативные варианты с более
высокими значениями КПД в СВЧ-диапазоне.
Это много- и двухчастотные антенны с резонанс-
ными коаксиальными [2, 3] или двухпроводными
шунтами [4–6] и др.
В известных работах по подобным много-
частотным и двухчастотным антеннам недоста-
точно опубликовано информации по анализу рас-
пределения амплитуды комплексного тока на
mailto:ovsyan37@i.ua
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
48 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
них, входному сопртивлению, коэффициенту сто-
ячей волны по напряжению (КСВН), диаграммам
направленности и оптимизации основных харак-
теристик таких антенн. Эти вопросы и подходы к
совершенствованию многочастотных и двухча-
стотных антенн с коаксиальными и двухпровод-
ными шунтами рассмотрены в данной статье.
Значительное внимание уделяется двухчастотным
антеннам с двухпроводными шунтами в связи с
их актуальностью при выполнении в микро-
полосковом исполнении.
1. Экспериментальные исследования
многочастотных и двухчастотных антенн с
коаксиальными шунтами. Рассмотрим входные
сопротивления и КСВН антенн с четвертьволно-
выми коаксиальными шунтами при разных соот-
ношениях рабочих частот и электрических разме-
рах антенн, предназначенных для одновременной
работы на двух и более частотах [2, 3]. Для слу-
чая работы на двух частотах (нижней нf и верх-
ней )вf схема антенны с коаксиальными четверть-
волновыми шунтами представлена на рис. 1.
Здесь вибраторы 1, входящие внутрь шунтов 2
длиной в25,0 h , замкнуты накоротко с шунта-
ми в их донной части. В результате в раскрывах 3
шунтов на частоте вf создается высокое входное
сопротивление, подавляющее ток частоты вf на
выступающих из шунтов частях вибраторов 4.
При этом шунты размером h возбуждаются
током частоты вf и работают как полуволновый
вибратор на этой частоте.
Рис. 1. Двухчастотная антенна с коаксиальными шунтами
Одновременно ток частоты нf возбуж-
дает всю антенну длиной 2d, так как в раскрывах
шунтов создается индуктивное сопротивление, не
препятствующее распространению тока нI ниж-
ней частоты нf вдоль всей антенны и возбужде-
нию ее этим током. При этом ДН антенны на ча-
стоте нf также будет подобной ДН полуволново-
го вибратора. Причем наличие некоторого индук-
тивного сопротивления на этой частоте в «рас-
крывах» 3 шунтов позволяет несколько укорачи-
вать наружные вибраторы 4.
Далее с целью более глубокого исследо-
вания свойств подобных антенн приведем резуль-
таты экспериментальных исследований входных
характеристик четырех вариантов антенн (рис. 1)
одинаковой конструкции, но с разными длинами
выступающих частей 4. Эти исследования выпол-
нялись в безэховой камере на несимметричных
вариантах антенн с коаксиальными узлами пита-
ния, установленных на алюминиевой плоскости в
виде квадрата с размером стороны, равным 1,5 н ,
достаточным для получения высокой точности
измерений в отсутствие посторонних окружаю-
щих предметов вблизи антенн и измерительной
установки. В табл. 1 даны основные параметры
четырех вариантов исследуемых антенн.
Таблица 1
Параметры антенн с коаксиальными шунтами
№
п/п
Парaметр
антенны
Вариант антенны
1 2 3 4
1 вf / нf 1,54 2,04 3,00 3,96
2 d / h 1,50 2,00 3,00 4,00
3 d/ н 0,23 0,23 0,24 0,25
4 d/ в 0,36 0,48 0,71 0,95
5 (d – h) / в 0,11 0,24 0,48 0,71
Для определения закономерностей изме-
нения входных сопротивлений и КСВН данных
антенн были выполнены измерения их парамет-
ров в широком частотном диапазоне нf … ,вf
соответствующем диапазону электрических длин
d / . Результаты измерений для вариантов 1–4
(табл. 1) показаны на рис. 2 и 3 непрерывными
линиями. Там же пунктирными линиями пред-
ставлены результаты для антенн, в которых шун-
ты закорочены на «раскрывах» 3 (рис. 1).
Нумерация кривых на графиках и значе-
ний d на горизонтальных осях соответствует но-
мерам вариантов антенн (табл. 1). На графиках
реактивных составляющих антенн (рис. 2, 3) точ-
ки резонансов антенн помечены цифрами в круж-
ках (№№ 5–8). Кружок № 5 соответствует точке
резонансов антенн на частоте ,вf кружки
№№ 6, 7 – резонансам на частоте ,нf и № 8 –
резонансу антенны на частоте .срf
Результаты измерений КСВН (сокращен-
но )сK исследуемых антенн приведены в табл. 2.
Как следует из графиков (рис. 2 и 3) и табл. 2,
благодаря влиянию шунтов в рассматриваемых
случаях с разными длинами в/)( hd выступа-
ющих вибраторов 4 наступает последовательный
резонанс антенны, который сопровождается об-
ращением в нуль реактивной составляющей на
частоте вf (кружки 5). При этом
сK в питающем
фидере антенны на частоте вf значительно сни-
жается в сравнении с антенной без шунта, что
является положительным фактором для согласо-
вания антенны с питающим фидером.
2d
2h
Uв
Uн
2
r a
2 2 4 4 1 3
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 49
а) б)
Рис. 2. Активная Rвх (а) и реактивная Xвх (б) составляющие входных сопротивлений двухчастотных антенн с коаксиальными шун-
тами (рис. 1) для вариантов 1 и 2 (табл. 1)
а) б)
Рис. 3. Активная Rвх (а) и реактивная Xвх (б) составляющие входных сопротивлений двухчастотных антенн с шунтами (рис. 1) для
вариантов 3 и 4 (табл. 1)
___________________________________________
Таблица 2
Результаты измерения КСВН исследуемых
антенн с коаксиальными шунтами и без них
№
п/п
Частота и
констр. антенны
Варианты исследуемых антенн
1 2 3 4
1
,вf с шунтом 1,33 1,33 1,67 1,25
,вf без шунта 3,33 7,14 1,52 5,56
2
,нf с шунтом 1,33 1,11 1,28 1,43
,нf без шунта 2,00 1,69 1,76 1,67
Отметим, что для третьего варианта
(табл. 2) такой эффект не обнаружен, и даже
напротив, КСВН антенны несколько увеличива-
ется со значения 1,52 до 1,67. Позитивное влия-
ние шунта не ощущается, и резонанс в антенне с
шунтом наступает приблизительно на той же час-
тоте, что и в антенне без шунта (см. графики на
рис. 3).
Нижняя резонансная частота нf для всех
вариантов антенн определяется суммой длины h
шунта 2 и выступающей части вибратора 4, т. е.
общей длиной плеча антенны d, а также индук-
тивным сопротивлением, создаваемым в раскры-
ве (а – b) шунта (в зависимости от соотношения
рабочих частот вf / нf ). На нижней частоте обес-
печиваются вполне приемлемые данные по
сK 1,11…1,43.
Следует отметить, что для антенны ва-
рианта 4 условие последовательного резонанса
выполняется дополнительно и на средней частоте
срf с(K 1,18, кружок 8) между частотами вf и нf .
Этот третий резонанс можно успешно использо-
вать на указанной средней частоте. Тогда антенна
варианта 4 является трехчастотной или трехдиа-
пазонной.
Xвх, Ом
0,18 0,25 0,32 0,39 0,46 0,53 d2/
d1/ 0,14
2
0,19
0,24 0,29 0,34
2
2
2
7
1 1
5
2
6
1
100
0
–100
–200
Rвх, Ом
0,18 0,25 0,32 0,39 0,46 0,53 d2/
2
2
2
2
1
1
1
2
1
300
200
100
0
0,14 0,19 0,24 0,29 0,34 0,39 d1/
Rвх, Ом
0,23 0,37 0,51 0,65 0,79 0,93 1,07 d4/
4
400
300
200
100
0
0,18 0,28 0,38 0,48 0,58 0,68 0,78 d3/
4
4
4
3
3
Xвх, Ом
0,23 0,37 0,51 0,65 0,79 0,93 1,07 d4/
d3/
0,18
4
0,28 0,38 0,48 0,58
8 5
3
4
4
4
4
6
3
200
100
0
–100
–200
–300
0,68 0,78
7
3
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
50 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
Из вышеизложенных результатов изме-
рений следует, что не при любой длине высту-
пающей части 4 антенны (рис. 1) на ней подав-
ляется ток высокой частоты вI в раскрыве шун-
та (а – b) и она не всегда работает в двух- или
многочастотном режиме.
Например, для упомянутого выше вари-
анта антенны 3, где (d – h) ,48,0 в ДН, входное
сопротивление и КСВН в диапазоне частот мало
зависят от наличия в антенне шунтов (рис. 3 и
табл. 2). Такое ослабление влияния шунтов явля-
ется негативным свойством подобных антенн
предположительно при ,)50,0...48,0()( вnnd
где n 2, 4, 6,…, что соответствует нечетным
соотношениям совмещаемых частот ( вf / нf равно
3, 5, 7,…). При этом антенна независимо от нали-
чия шунтов работает подобно обычной вибратор-
ной и не является многочастотной.
С другой стороны, можно предположить,
что при ,25,0)( вmhd а также при
,25,0)( в hd где m 1, 3, 5,... (варианты 1, 2, 4),
эффект подавления тока частоты вf в «раскры-
вах» шунтов и, как следствие, на выступающих
частях 4 таких вибраторов проявляется наиболее
сильно. Эти случаи соответствуют соотношениям
совмещаемых частот вf / нf , равным 2, 4, 6,..., а
также при значениях вf / нf , меньших 2. Такие
антенны по свойствам являются двух- и много-
частотными.
Отмеченные выше негативные свойства
антенн варианта 3 (табл. 1 и 2) ограничивают об-
ласть применения этих антенн в качестве много-
частотных, и без усовершенствования структур-
ной схемы их свойства не удается улучшить. Во-
просы улучшения свойств подобных антенн рас-
смотрены ниже.
2. Исследование и совершенствование
многочастотных и двухчастотных антенн с
шунтами. С учетом публикаций [1–10] и экспе-
риментальных данных, изложенных выше по
простейшим многочастотным и двухчастотным
антеннам с коаксиальными шунтами, выполним
исследование положений и методов совершенст-
вования многочастотных и двухчастотных ан-
тенн.
Для исследования и уточнения природы
рассмотренных в разд. 1 новых явлений выпол-
ним расчеты такого первичного параметра антенн,
как распределение амплитуды высокочастотного
тока на данных антеннах и других электрических
характеристик строгим методом интегральных
уравнений (ИУ) [8, 9] на интересующих нас рабо-
чих частотах. При этом воспользуемся известны-
ми и доступными программными средами,
например, NEC WIN, MMANA, FEKO и др.
Коаксиальные шунты 1–3 антенны (рис. 1),
с учетом положений теории эквивалентной длин-
ной линии (ЭДЛ) [9, 11, 12], аналогичны по свойст-
вам линейным двухпроводным шунтам (рис. 4)
такой же электрической длины, подключенным к
основной части антенны подобно коаксиальным
шунтам. Учитывая отмеченное, для упрощения
моделирования и расчетов характеристик много-
частотных антенн, исследуем с помощью выше-
указанных компьютерных программ аналогичную
антенне (рис. 1) антенну с линейными двухпро-
водными шунтами, представленную на рис. 4.
Рис. 4. Двухчастотная (трехчастотная) антенна с линейными
двухпроводными шунтами (Z-реактивные нагрузки)
Полученные расчетные значения распре-
деления токов на проводниках 1, 4 общей длиной d
и проводниках 2 длиной h (рис. 4) при четном
соотношении совмещаемых частот 1/2нв ff в
отсутствие в проводниках 4 нагрузок )0( Z
представлены графически на рис. 5. Из этого ри-
сунка видно, что амплитуда тока частоты вf на
выступающей части 4 проводника )( hd намно-
го меньше амплитуды тока на другой его час-
ти (h), т. е. наблюдается эффект «отсечки» тока
частоты вf в сечении (а – b). Значение тока на
выступающей части )( hd по сравнению с его
значением на шунте (h) ослаблено приблизитель-
но на 40 дБ.
Рис. 5. Распределение амплитуды тока на двухвибраторной
антенне с соотношением рабочих частот fв / fн = 2 / 1
I(Z), A
h
0,016
0,012
0,008
0,004
0,002
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2 Z/в
d
fн
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Z/н
fв
fв
2d
2hZ
Uв
Uн
2ra
2
2
4
4
1
b
1
b
a a
Z Z
2h
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 51
Таким образом, ток частоты вf благодаря
эффекту четвертьволновой линии, закороченной в
центре антенны, встречает в сечении (а – b) двух-
проводного шунта большое сопротивление и зна-
чительно затухает на выступающей части 4. В этом
варианте антенна работоспособна одновременно
на частотах вf и нf , имея обычные двухлепестко-
вые ДН в виде «восьмерки» на обеих частотах,
аналогичные полуволновому вибратору.
В другом случае (рис. 6) при нечетном
соотношении рабочих частот 1/3нв ff вибра-
тор 1 антенны и выступающая часть )( hd (рис. 4)
интенсивно возбуждаются током частоты .вf
Рис. 6. Распределение амплитуды тока на двухвибраторной
антенне с рабочим соотношением частот fв / fн = 3 / 1
Этот эффект является следствием того,
что ток частоты вf беспрепятственно проходит на
длинный вибратор через «раскрыв» четвертьвол-
нового отрезка линии в сечении (а – b), возбуж-
дает выступающую часть )( hd как на обычной
вибраторной антенне без шунта. В таком случае
эта антенна приобретает характеристики обычно-
го вибратора на частоте вf (по КСВН случай по-
добен варианту 3 табл. 2).
Обнаруженные и изложенные выше
свойства исследуемых многочастотных антенн с
шунтами при соотношении частот 1/3нв ff
представляют значительный интерес. Это можно
объяснить отсутствием разности потенциалов на
частоте вf между проводниками 1 и 2 антенны в
сечении (а – b) «раскрыва» шунта (рис. 4), что
препятствует запирающему действию этого рас-
крыва четвертьволновой линии, закороченной в
центре антенны.
Учитывая, что для обеспечения макси-
мальной разности потенциалов в сечении (а – b)
длина выступающей части 4 должна быть равной
нечетному числу четвертей короткой волны ,вf
направление усовершенствования таких антенн
должно быть сосредоточено на получении в рас-
крывах шунтов режима последовательного резо-
нанса выступающих частей hd вибраторов на
частоте ,вf если условно считать их отдельными
штыревыми антеннами. При этом общая длина
антенны 2d должна быть такой, чтобы в узле воз-
буждения в центре антенны был создан режим
последовательного резонанса также и на час-
тоте .нf
Если реализовать указанные два условия,
то можно получить антенну, работающую на
произвольно разнесенных двух и более частотах.
Такой режим можно обеспечить, изменяя физиче-
скую или электрическую длину выступающих
частей 4 вибраторов до значений
,25,0)( вmhd или ,25,0)( вhd где
m 1, 3, 5,..., контролируя и обеспечивая при
этом резонансный размер d / н 0,25.
Указанную электрическую длину высту-
пающих частей 4 предлагается получать путем
последовательного включения в их разрывы со-
средоточенных или распределенных реактивных
нагрузок Z (рис. 4) индуктивного или емкостного
типа. При этом переменными регулируемыми па-
раметрами должны быть величина реактивной
нагрузки Z, точки ее включения Zh и электриче-
ская длина выступающей части ).( hd Очевидно,
что применение индуктивных нагрузок (ИН) в
сравнении с емкостными позволяет несколько
уменьшить реальную длину антенны, что является
положительным фактором.
Так как у короткого четвертьволнового
вибратора h в точке «b» на частоте вf потенциал
в любом случае имеет максимальное значение,
для получения максимальной разности потенциа-
лов в сечении (а – b), включаемые реактансы Z
должны обеспечивать в точке «а» вибратора 1
минимальный или нулевой потенциал.
Выражение для значения индуктивности
сопротивления нагрузки Z, удовлетворяющего это-
му условию, с учетом теории ЭДЛ и работ [7–12]
имеет вид
,
2
tg
2
ctg
4
вв
в
1
1
hhhd
f
W
L
LhdLhd
rez
где
1lg3,21201
ar
hd
W – (2)
волновое сопротивление выступающей части 4;
(1)
I(Z), A
h
0,016
0,009
0,006
0,003
0
0 0,25 0,5 Z/в
d
fн
0 0,08 0,17 Z/н
fв
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
52 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
1
lg6,41
a
hd
r
hd
– (3)
коэффициент укорочения выступающей части.
На частоте
нf должен быть обеспечен
последовательный резонанс на входе всей антен-
ны (рис. 4), при этом реактивная составляющая
входного сопротивления на этой частоте должна
обращаться в нуль. Выражение для определения
значений индуктивности ,2rezL обеспечивающее
этот режим, запишем следующим образом:
,
2
tg
2
ctg
4 ннн
2
2
LdLdrez hhd
f
W
L
(4)
где
1lg3,21202
ar
d
W – (5)
волновое сопротивление антенны с длиной плеча d;
1
lg6,41
a
d
r
d
– (6)
коэффициент укорочения антенны длиной d.
Выражения (1) и (4) представляют собой
систему двух уравнений, которые при условии ра-
венства обеих индуктивных сопротивлений нагруз-
ки Z в двухчастотной антенне )( 21 rezrez LLL
могут применяться для обеспечения одновремен-
ной работы антенны с двухпроводными шунтами
(рис. 4) на обеих частотах вf и .нf Приравнивая
выражения (1) и (4), получаем трансцендентное
уравнение вида
Lhd hd
f
W
11
1 2
ctg
4
hhLhd
в
2
tg
(7)
LdLd hhd
f
W
ннн
2 2
tg
2
ctg
4
.
При заданных рабочих частотах вf , нf и
размерах антенн из уравнения (7) можно опреде-
лить оптимальные точки Lh включения ИН с со-
ответствующим значением индуктивного сопро-
тивления Z.
3. Исследование вариантов многочас-
тотных и двухчастотных антенн с шунтами и
индуктивными нагрузками Z для работы при
различных соотношениях рабочих частот.
В данном разделе изложены результаты исследо-
вания с помощью предложенного выше метода
расчета многочастотных или двухчастотных ан-
тенн с шунтами и с применением индуктивных
нагрузок L (на рис. 4 обозначены буквой Z) с ис-
пользованием выражений (1, 4, 7) для обеспече-
ния одновременной работы на любых совмещае-
мых частотах. Рассмотрим результаты расчета и
экспериментальной проверки различных вариан-
тов двухчастотных антенн.
3.1. Двухчастотные антенны для рабо-
ты на частотах с соотношением нв ff 3/1.
Выше отмечалось, что обычные антенны с шун-
тами (рис. 1, 4) без реактивных нагрузок (Z 0)
не обеспечивают совмещение рабочих частот с
нечетными соотношениями нв ff 3, 5, 7,….
Исследуем возможность обеспечения
двухчастотной работы такой антенны в диапазоне
СВЧ при соотношении рабочих частот нв ff 3.
Пусть в выступающие части 4 антенны (рис. 4)
включены нагрузки Z, имеющие индуктивный
характер.
Рассмотрим пример двухчастотной ан-
тенны с двухпроводными линейными шунтами
(рис. 4) с индуктивными нагрузками L для работы
на частотах с соотношением нв ff 3/1 и сле-
дующими исходными данными: вf 900 МГц,
нf 300 МГц, h 0,25 ,в d (0,50…0,66) ,в
Lh (0,48…0,50) ,в волновое сопротивление пи-
тающего тракта W 50 Ом. Определим зависи-
мость величины включаемой индуктивности L и
координаты ее включения Lh от параметров ан-
тенны, в том числе от величины выступающей
части ).( hd При этом будем исходить из прин-
ципов, изложенных в разд. 2, выполняя расчеты в
соответствии с уравнениями (1), (4), (7). При этом
для каждого значения длины вибратора d получа-
ем пару значений rezL и .Lh В качестве примера
на рис. 7 приведены результаты расчетов .rezL
Рис. 7. Расчетные зависимости Lrez нагрузок от точек их вклю-
чения hL для заданного значения d 0,62в
Приведенная на рис. 7 расчетная зависи-
мость 1 вычислена по формуле (1), а кривая 2 –
по формуле (4). Пересечению этих кривых в точ-
ке А соответствует искомая пара значений
Lh 0,51 в и rezL 0,173 мкГн.
Lrez, мкГн
A
1,5
1
0,5
0
hL /в
1
0,45 0,48 0,51 0,54 0,57 0,60 0,63
2
2
1
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 53
Диаграммы направленности подобной
антенны с шунтами и без них приведены на
рис. 8. При этом для антенны без шунтов и ИН
диаграмма направленности многолепестковая и
«изрезанная», как у обычного полутораволнового
вибратора. Однако при наличии шунтов и ИН
диаграмма направленности становится неизре-
занной, что свидетельствует о позитивном влия-
нии шунтов и ИН на параметры антенны. На час-
тоте нf ее ДН имеет вид «восьмерки» – как у
обычного полуволнового вибратора.
Рис. 8. Экспериментальные диаграммы направленности ан-
тенн с шунтами (–––) и без них (---) в плоскости Е антенны на
частоте fв при соотношении рабочих частот fв / fн = 3 / 1
Отметим, что для заданных выше исход-
ных данных каждому значению длины вибратора d
и длины выступающей части )( hd соответству-
ет одна пара значений rezL и ,Lh если электриче-
ская длина выступающей части не превышает
половины длины волны верхней частоты .вf Од-
нако при )( hd > 0,5 в получаем две и более
пар решений (см., например, рис. 11).
Зависимость пар значений rezL и Lh от
длины вибратора d в указанных выше пределах
для случая в25,0const h представлена на
графиках рис. 9.
Рис. 9. Расчетные зависимости значений индуктивности Lrez
индуктивной нагрузки от точек ее включения hL и длины ан-
тенны d
На рис. 9 пунктирными линиями со
стрелками показаны два варианта полученных
пар решений rezL( и ).Lh Первый вариант для
d 0,56 ,в а второй для d 0,63 .в Соответст-
венно, для первого варианта (линии 1 и )1 полу-
чено rezL 0,43 мкГн, Lh 0,49 ,в а для второго
(линии 2 и 2) – rezL 0,173 мкГн, Lh 0,50 в .
Для уточнения результатов, полученных
выше с учетом метода ЭДЛ, при заданных часто-
тах вf , нf и конфигурации антенны решаем зада-
чу более строгим методом ИУ в сочетании с ме-
тодом математического программирования [9, 13]
по критерию заданного КСВН ( Тр
cK ) на этих час-
тотах (при Lh сonst) и определяем необходимое
значение L в соответствии с критериями опти-
мальности:
);,(,...,,2,1
,)(min)(
1
2Тр
c
Тр
c1,c1
Мm
m
LLLMm
KKLKLF
(8)
),,(,...,,2,1
,)(min)(
1
2Тр
c
Тр
c2,c2
Nn
n
LLLNn
KKLKLF
(9)
где )(),( 21 LFLF – парциальные функционалы об-
щей целевой функции )(LF для частот вf и ,нf
соответственно; ,mL nL – исходные значения ин-
дуктивности в начальном приближении, подле-
жащие оптимизации. При этом общая целевая
функция задачи имеет вид
)(LF
2
1
)(
j
jj LFp , (10)
где jp весовые коэффициенты, учитывающие
степень важности значений сK для частот вf и .нf
Подобным образом оптимизируем коор-
динаты Lh включения ИН при найденном значе-
нии индуктивности нагрузки (L сonst) по крите-
рию заданного КСВН на этих частотах. Обе про-
цедуры оптимизации повторяем многократно до
тех пор, пока разность между полученным и
предыдущим значениями L и Lh будет равной
или меньшей заданного ограничения. Если не
удается решить задачу в соответствии с выраже-
ниями (8)–(10), корректируем критерий работо-
способности Тр
cK либо изменяем структурную
схему антенны и повторяем процедуры анализа и
оптимизации.
Результаты сравнительного анализа сK и
оптимизации значений ИН и координат их вклю-
чения методами ЭДЛ и ИУ приведены в табл. 3.
Здесь значения сK даны для несимметричного
Lrez, мкГн
hL
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
hL /в
1
0,48 0,51 0,54 0,57 0,60 0,63 0,66 d/в
2
2
1
hL
Lrez
Lrez
0,51
0,50
0,49
0,48
0
30
60
90
120
180
120
90
60
30
150 150
1,0 0,7 0,5 0,3 0,1 0 0 0,1 0,3 0,5 0,7 1,0
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
54 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
варианта антенны, установленной вертикально на
идеально проводящем бесконечном экране.
Таблица 3
Результаты анализа и оптимизации значений ,cK
ИН rezL и координат их включения Lh / в
№
в
ар
и
ан
та
d
/
в
Метод ЭДЛ
Метод ИУ и
мат. програм.
Ч
ас
то
та
Kc
L
re
z,
м
к
Г
н
h
L
/
в
L
re
z,
м
к
Г
н
h
L
/
в
1 0,56 0,43 0,49 0,38 0,51
fв 1,10
fн 1,60
2 0,63 0,17 0,50 0,19 0,56
fв 1,15
fн 1,50
Как следует из данной таблицы, опреде-
ление начального приближения значений rezL и
Lh методом ЭДЛ по выражению (7) получаем с
погрешностью, относительно результатов опти-
мизации и строгого метода ИУ, не превышающей
10…15 %. Это позволяет сделать вывод о прием-
лемой на практике точности начального прибли-
жения, получаемого с помощью метода, предло-
женного в разд. 2. Применение этого метода мо-
жет зачастую быть достаточным при разработке
двухчастотных антенн с шунтами.
Результаты экспериментальной проверки
антенны с соотношением частот нв ff 3 приве-
дены на рис. 10 для частотного диапазона нf … вf .
Как следует из данного рисунка, последователь-
ные резонансы в антенне возникают в нижнем и
верхнем диапазонах на частотах нf и вf при при-
емлемых значениях коэффициента стоячей волны
(для несимметричного варианта антенны W 50 Ом).
Следовательно, принцип включения реактивных
нагрузок Z (рис. 4) в выступающие части вибра-
тора с шунтами для обеспечения двухчастотной
работы антенны с нечетным соотношением час-
тот дает положительный результат не только по
ДН, но и по входным параметрам двухчастотных
антенн.
___________________________________________
а) б)
Рис. 10. Экспериментальные частотные зависимости актив-ной Rвх (а) и реактивной Xвх (б) составляющих входных сопротивлений
трехчастотной антенны с шунтами (––) и без них (---) с индуктивными нагрузками для соотношения частот fв / fн = 3: 1, 2, 3 – точки
последовательного резонанса антенны на частотах fн, fср, fв соответственно
___________________________________________
Кроме этого, как следует из графиков
рис. 10, на частоте срf (кружок 2) в рассматрива-
емой антенне наступает еще один последователь-
ный резонанс – третий на средней частоте. При
этом ДН в ряде случаев может удовлетворять
требованиям практики. В таких случаях рассмот-
ренная антенна является трехчастотной или трех-
диапазонной.
3.2. Двухчастотные укороченные антен-
ны для работы на частотах с соотношением
нв ff 4/1. Как следует из предыдущего пункта 3.1,
затруднительно осуществлять совмещение частот
с соотношением нв ff 3 без использования
реактивных нагрузок Z в выступающей части 4
антенны (рис. 4).
Поскольку ИН, кроме своего основного
назначения – создания в «раскрывах» шунтов
режима последовательного резонанса выступаю-
щих частей вибраторов на частоте ,вf выполняют
функцию укорочения антенны, их можно приме-
нять при совмещении частот с любым соотноше-
нием, в том числе нв ff 2/1, 4/1, 6/1,…, c целью
уменьшения размера двухчастотной антенны с
шунтами.
Rвх, Ом
1000
800
600
400
200
0
0,16 0,25 0,34 0,43 0,52 0,61 0,70 d /
0,16 0,25 0,34 0,43 0,52 d /
1 2 3
600
400
200
0
–200
–400
–600
Xвх, Ом
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 55
В качестве примера рассмотрим резуль-
таты расчетов и экспериментальной проверки
антенн с ИН для случая ,1/4нв ff близкого к
варианту 4 (табл. 1 и 2, рис. 2) без ИН. На рис. 11
даны результаты расчета значений ИН и мест их
включения, а на рис. 12 – результаты эксперимен-
тальной проверки входных сопротивлений иссле-
дуемой антенны. В этом случае кривые 1 и 2 пере-
секаются два раза при ,30,0/ dhL L 0,17 мкГн
(точка 3) и ,66,0/ dhL L 0,4 мкГн (точка 4).
Следовательно, уравнение (7) с использованием
двухпроводной модели шунтов (рис. 4) при рас-
сматриваемом соотношении частот имеет два
решения.
Рис. 11. Расчетные зависимости индуктивностей L1 (1) и L2 (2)
от координат их включения в антенну (hL / d) по выраже-
ниям (1) и (4), соответственно
Результаты экспериментальной проверки
входного импеданса варианта антенны при
dhL / 0,30, L 0,17 мкГн (точка 3 пересечения
кривых 1 и 2 на рис. 11) в полосе частот, соот-
ветствующей диапазону нf … вf , показаны на
рис. 12. Из графиков следует, что в нижнем диа-
пазоне последовательный резонанс наступает на
частоте нf (кружок 1 на рис. 12), а в верхнем – на
частоте вf кружок 2 (для несимметричного ва-
рианта антенны при W 50 Ом).
Обратим внимание, что в отличие от рас-
смотренной нами двухчастотной антенны с ИН
(рис. 11, 12), антенна с коаксиальными шунтами
без ИН является трехчастотной. Результаты экс-
периментальных исследований трехчастотной
антенны без включенных ИН изложены в разд. 1
(рис. 1, вар. 4).
а)
б)
Рис. 12. Экспериментальные зависимости активной Rвх (а) и
реактивной Xвх (б) составляющих входных сопротивлений
двухчастотной антенны с ИН с шунтами () и без них (---),
работающей на частотах с соотношением fв / fн 4, от ее элект-
рической длины; 1, 2 – точки последовательного резонанса
антенны на частотах fн и fв, соответственно
3.3. Дополнительная проверка и
настройка электрических параметров двухчас-
тотных (трехчастотных) антенн с индуктив-
ными нагрузками. При разработке и изготовлении
многочастотных антенн с ИН (Z) и шунтами (рис. 4)
рекомендуется экспериментально уточнять нали-
чие последовательного резонанса на частоте вf на
выступающих из «раскрывов» шунтов частях 4
антенн, что является условием эффективной ра-
боты антенны на верхней частоте. Выполнение
данного условия проверяем расчетным путем ме-
тодом ИУ и экспериментально на так называемой
«дополнительной» антенне в симметричном или
несимметричном исполнении, плечи которой со-
ставлены только из выступающих частей 4 вибра-
торов вместе с ИН.
Подключая такую антенну к прибору для
измерения вхZ и КСВН и регулируя длину высту-
пающей части 4, значение индуктивности ИН и
координаты точек ее включения, добиваемся пер-
вого последовательного резонанса дополнитель-
ной антенны на частоте вf ),0( вх Х который
возникает при электрической длине плеча этой
антенны, равной (или меньшей) нечетному числу
четвертей короткой волны. После уточнения па-
раметров и структуры дополнительной антенны
0,19 0,31 0,42 0,53 0,64 0,75 0,86
400
300
200
100
0
Rвх, Ом
fв / fн 3,9
d /
0,31 0,42 0,53 0,64 d /
1 2
200
100
0
–100
–200
Xвх, Ом
0,78
2
0,30 0,42 0,54 0,66 0,78 0,90 1,00
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4
0
3
L, мкГн
1
1
1
2
4
hL /d
1
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
56 ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3
переносим их на структуру общей конструкции
многочастотной антенны (рис. 1 или 4), а затем
проверяем ,вхZ КСВН и ДН последней на часто-
тах нf , срf и вf .
Выводы. С помощью рассмотренных
многочастотных антенн с шунтами и реактивны-
ми нагрузками удается совмещать рабочие часто-
ты с любым соотношением при одновременном
укорочении антенны.
Как показала экспериментальная провер-
ка, погрешность расчетов многочастотных антенн
упрощенным методом электрической длинной
линии с помощью предложенного трансцендент-
ного уравнения (7) приемлема для практических
расчетов двух- и многочастотных антенн, как с
коаксиальными, так и с двухпроводными шунтами.
Изложенный материал может быть по-
лезным при разработке более сложных много-
частотных антенн с бóльшим количеством вклю-
ченных шунтов для бóльшего числа совмещае-
мых частот (диапазонов).
Рассмотренные в статье двух- и трех-
частотные антенны, подобные антенне, представ-
ленной на рис. 4, целесообразно использовать при
разработке двухчастотных антенных решеток
СВЧ-диапазона в микрополосковом исполнении
для мобильных объектов. Это позволит эконо-
мить массу и поверхность, антенной занимаемую
решеткой.
Автор выражает благодарность ведуще-
му инженеру кафедры электронных средств теле-
коммуникаций ДНУ Е. Р. Безносовой за участие в
подготовке статьи.
Библиографический список
1. Smiht D. L. The Trap–Loaded Cylindrical Antenna. IEEE
Trans. Antennas Propag. 1975. Vol. 23, N 1. P. 20–27.
2. Coaxial Multiband Antenna: пат. 3139620 США, Cl. 343–
730 / K. L. Leidy and H. D. Cribbage. Заявл. 23.12.59;
опубл. 30.06.64; 3 c.
3. Multifrequency Antenna System Including an Isolation Sec-
tion Open Circuited at Both Ends: пат. 3735413 США, МКИ
НО1Q 1/00, 9/16 / Oukley Mc Donald Woodward. Заявл.
19.08.71; Опубл. 22.05.73; 5 c.
4. Tai, Chen To. Ann. Arbor. Manypole Broadband Antenna,
1970 Pat. USA No. 3.550.145, HO1Q 21/00, 9/38, 1/50/
343/826, 22.12.1970, 3 p. Manypole Broadband Antenna: пат.
3550145 США, МКИ НО1Q 21/00, 9/38, 1/50 343/826 / Tai,
Chen To. Ann. Arbor. (США); заявл. 03.08.68; опубл.
22.12.70; 3 c.
5. Гриф А. Я. Антенны спутниковые, ТВ, РВ, СИ-БИ, КВ,
УКВ. Москва: Символ-Р, 1998. 320 c.
6. Taylor C. D., Aronson E. A., Harrison C. W. Theory of Cou-
pled Monopoles. IEEE Trans. Antennas Propag. 1970.
Vol. 18, N 3. P. 360–366.
7. Krjukov A., Ovsyanikov V. The Antennas for Mobile Radio
Communication. Proc. of 31st European Micr. Conf. (EuMA).
(27 Sept. 2001). London, 2001. Vol. 3. P. 469–472.
8. Ovsyanikov V. V. Designing of Multifrequency wire Anten-
nas with Shunts. Int. Conf. Antenna Theory and Techniques
(17–21 Sept., 2007). Sevastopol, Ukraine. P. 250–252.
9. Овсяников В. В. Состояние разработок вибраторных,
диэлектрических и плазменных антенн в контексте исто-
рического развития антенной техники. Радиофизика и элект-
роника. 2016. Т. 7(21), № 3. С. 58–73.
10. Овсяников В. В. Электрически малые вибраторные, спи-
ральные и петлевые антенны. Радиофизика и электрони-
ка. 2017. Т. 8(22), № 1. С. 57–67.
11. Драбкин А. Л., Зузенко В. Л. Антенно-фидерные устройст-
ва. Москва: Сов. радио, 1961. 816 с.
12. Никольский В. В. Антенны. Москва: Связь, 1966. 368 с.
13. Моисеев Н. Н., Иванилов Ю. П., Столярова Е. М. Методы
оптимизации. Москва: Наука, 1978. 352 с.
REFERENCES
1. Smiht, D. L., 1975. The Trap-Loaded Cylindrical Antenna //
IEEE Trans. Antennas Propag., 23(1), pp. 20–27.
2. Leidy, K. L. and Cribbage, H. D., 1964. Coaxial Multiband
Antenna. U. S. Pat. 3,139,620.
3. Oukley Mc Donald Woodward, 1973. Multifrequency Anten-
na System Including an Isolation Section Open Circuit at Both
Ends. U. S. Pat. 3,735,413.
4. Chen To Tai, Ann. Arbor, 1970. Manypole Broadband Anten-
na. U. S. Pat. 3,550,145.
5. Gryph, A. Ya., 1998. Antennas satellite, TV, RV, SI-BI, HF,
VHF. Moscow: Symbol-R Publ. (in Russian).
6. Taulor, C. D., Aronson, E. A., Harrison, C. W., 1970. Theory
of Coupled Monopoles. IEEE Trans. Antennas Propag., 18(3),
pp. 360–366.
7. Krjukov, A., Ovsyanikov, V., 2001. The antennas for Mobile
Radio Communications. In: Proc. of 31st European Micr.
Conf. (EuMA). (27 Sept. 2001). London, 2001. Vol. 3.
P. 469–472.
8. Ovsyanikov, V. V., 2007. Designing of Multifrequency wire
Antennas with Shunts. In: Int. Conf. Antenna Theory and
Techniques (17–21 Sept., 2007). Sevastopol, Ukraine. P. 250–252.
9. Ovsyanikov, V. V., 2016. State of development of vibrator,
dielectric and plasma antennas in the context of the historical
development of antenna technology. Radiofizika i elektronika,
7(21)(3), pp. 58–73 (in Russian).
10. Ovsyanikov, V. V., 2017. Electrically small vibratory, spiral
and loop antennas. Radiofizika i elektronika, 8(22)(1), pp. 57–67
(in Russian).
11. Drabkin, A. L., Zuzenko, V. L., 1961. Antenna-feeder devic-
es. Moscow: Sovetskoe Radio Publ. (in Russian).
12. Nikolsky, V. V., 1966. Antennas. Moscow: Svyaz' Publ. (in
Russian).
13. Moiseev, N. N., Ivanilov, Yu. P., Stolyarova, E. M., 1978.
Optimization methods. Moscow: Nauka Publ. (in Russian).
Рукопись поступила 17.05.2017.
V. V. Ovsyanikov
ANALYSIS OF CHARACTERISTICS
OF TWO-FREQUENCY (THREE-FREQUENCY)
ANTENNAS WITH REACTIVE LOADS
The results of a theoretical and experimental study of
the distribution of the amplitude of a complex current, input re-
sistances, the standing wave voltage coefficient, and the direction-
al 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 re-
search, it was found that with a constant size of a quarter-wave
shunt attached to the antenna and with different sizes of the anten-
na relative to the shunt, it can acquire or lose the multifrequency
property. Namely, with the length of the wire rod protruding be-
yond the shunt equal to an odd number of quarters of the short
wave of the upper frequency range the multifrequency mode is
В. В. Овсяников / Анализ характеристик двухчастотных…
_________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1028821X. Радіофізика та електроніка. 2017. Т. 22. № 3 57
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 experimental-
ly. This principle consists in adjusting the electrical length of the
wire rod of the antenna that protrudes beyond the shunt by sequen-
tially 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 present-
ed 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 calculat-
ing and optimizing two-frequency antennas for working with an
arbitrary ratio of compatible frequencies was experimentally test-
ed. 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.
Key words: two-frequency antenna with shunts, distri-
bution of the amplitude of the complex current on the antenna, the
input impedance of the antenna, standing wave ratio by voltage,
inductive load.
В. В. Овсяніков
АНАЛІЗ ХАРАКТЕРИСТИК
ДВОЧАСТОТНИХ (ТРИЧАСТОТНИХ) АНТЕН
З РЕАКТИВНИМИ НАВАНТАЖЕННЯМИ
Наведено результати теоретичного та експеримен-
тального дослідження розподілу амплітуди комплексного
струму, вхідних опорів, коефіцієнту стоячої хвилі за напругою
і діаграм спрямованості багаточастотних і двочастотних лі-
нійних дротових антен НВЧ-діапазону з чвертьхвильовими
коаксіальними, двопровідними шунтами і з зосередженими
реактивними навантаженнями. У результаті досліджень з’ясо-
вано, що при постійному розмірі чвертьхвильового шунта
багаточастотних антен, прикріпленого до антени, і при різних
розмірах антени щодо шунта, вона може набувати або втрача-
ти 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 багато-
частотності не зберігається. Запропоновано і перевірено екс-
периментально принцип усунення зазначеного вище недо-
ліку і створення двочастотних антен для роботи з довільним
співвідношенням частот, що суміщаються. Цей принцип поля-
гає в доопрацюванні електричної довжини зазначеного дротя-
ного 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 режи-
му 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 пропоно-
ваним 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 двочастот-
на антена з двопровідними лінійними шунтами і з включени-
ми індуктивними навантаженнями є одним з перспективних
варіантів для розробки малогабаритних двочастотних антен і
антенних решіток у мікросмужковому виконанні.
Ключові слова: двочастотна антена з шунтами, роз-
поділ амплітуди комплексного струму на антені, вхідний опір
антени, коефіцієнт стоячої хвилі за напругою, індуктивне
навантаження.
|