Простой сигнал-генератор

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МАЛОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН

УДК 621.397.67.0)

К. т. н. Киселев В. П.. Сайко В, Г., к. т. н. Ильинов М. Д., к. т. н. Федяее В. Е.

В 70-е годы интерес к малогабаритным антеннам был невелик. Это направление антенной техники находилось тогда в тени исследований в области больших антенн и фазнрованных антенных решеток. Теперь отношение к миниатюрной технике существенно изменилось, что произошло, в основном, благодаря стремительному развитию систем связи с подвижными объектами, предъявляющих жесткие требования по габаритным показателям к антенным устройствам.

В этом же направлении следует отметить развитие индивидуальных систем связи, появление носимых и даже карманных устройств радиосвязи. Вместе с тем функциональные возможности малогабаритной аппаратуры не должны были ухудшаться, и здесь узлом всех проблем стала антенна. Так постепенно утверждалась необходимость разработки малогабаритных антенных устройств, обладающих приемлемыми электрическими характеристиками [ 1 ].

Реализация указанных требований к антенным устройствам, их миниатюризация и обеспечение при этом заданных электрических характеристик как в теоретическом, так и в практическом плане представляют довольно сложную проблему.

Решение ее можно разделить: 1) исследование теоретических электрических характеристик малогабаритных антенн: 2) исследование качественно новых методов разработки антенн малых размеров [2].

Для первого направления характерно, главным образом, исследование физических пределов миниатюризации, т. е- тех размеров, при которых еще сохраняются приемлемые значения электрических параметров антенных устройств. Этому направлению посвятили свои работы Wheeler и Chu [3 — 6]. Определение предельных характеристик малогабаритных антенных устройств неразрывно связано с изучением взаимодействия элементов антенны со средой и окружающими предметами, а также измерением и оценкой характеристик данного излучателя-В последние годы также серьезно рассматривается проблема влияния человеческого тела как физического объекта, находящегося в непосредственной близости к антенне. Исследованиям второго направления посвящены работы [2, 6].

В настоящей статье при рассмотрении различных проблем, связанных с разработкой широкополосных антенных устройств, показаны отдельные этапы этих исследований, полученные результаты, отдельные образцы практической реализации малогабаритных антенных устройств.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ АНТЕНН

Все многообразие малогабаритных антенн может быть подразделено на четыре типа (7): электрически малые, физически связанные малогабаритные, функционально малые, физически малые.

Размеры электрически малых излучателей определяются по отношению к длине волны, а именно, излучатель должен иметь такие размеры, при которых он помещается внутрь радианной сферы [4]. Под радиан-ной сферой подразумевается шар радиусом V2n, где \ - длина волны, а поверхность этого шара представляет собой границу ближней и дальней зон антенны. Удобно также представление о радианной сфере как о границе ближней зоны, причем характерный размер антенны (например, длина) сравним с радианным отрезком А./2п.

Физически связанные малые антенны представляют собой антенные системы, каждый элемент которых удовлетворяет требованиям, предъявляемым к электрически малым антеннам. Типичными примерами из этой группы являются плоские антенные решетки.

Функционально малые и физически малые антенны хорошо описаны в [3]. Функционально малыми антеннами называют антенные системы, в которых без увеличения размеров достигается значительное увеличение функциональных возможностей. Они малы лишь относительно систем, в которых те же самые функции достигнуты за счет увеличения габаритов. Отметим, что размеры первых имеют тенденцию к увеличению по мере увеличения функций по обработке сигналов.

2. ПРОБЛЕМЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ

Общеизвестно, что по мере уменьшения габаритов антенны уменьшается ее КПД и сужается полоса частот. Такие ограничения, а именно, связь между размерами антенны и добротностью Q или соотношением между полосой частот и коэффициентом усиления исследовали в своих работах Wheeler [4] н Chu [5]. Этой же проблеме посвятил монографию Hansen [6]. В результате были найдены ограничения для максимальной величины добротности Q при сколь угодно малых размерах антенны или, наоборот, минимальные размеры антенны при заданной полосе частот. На практике получить антенну с предельными параметрами невозможно и реальная проблема заключается в том, как получить антенну с размерами, наиболее близкими к граничным при заданной полосе частот. Строгих методов миниатюризации на основе этой теории пока не существует.

Кроме этого, с уменьшением размеров антенных элементов значительно возрастает влияние свойств среды и окружающей обстановки, поэтому изменяется характер использования антенн. Наличие вблизи антенны других физических тел уменьшает ее коэффициент усиления, изменяет резонансную частоту антенны, входное сопротивление, ухудшает согласование, уменьшает КПД, искажает диаграмму направленности. Благодаря наводимым в этих телах токам они начинают работать как излучатели и могут в некоторых случаях использоваться с антенным элементом как единая антенна. В некоторых случаях влияние близлежащих предметов можно удачно использовать, увеличивая, например, КПД [9], меняя диаграмму направленности (ДН) или другие параметры. Такое использование влияния окружающей обстановки является одним из способов миниатюризации антенн.

Особую проблему представляет случай, когда близлежащим объектом является человек, причем важно не только влияние человека на характеристики антенны, но и обратное влияние на человека вредных для здоровья электромагнитных излучений. Под влиянием оператора носимого прибора изменяются КПД и ДН антенны [9]. В [10] приведены наиболее серьезные исследования таких вопросов, как повышение температуры различных частей тела под влиянием электромагнитного поля. Отрицатель-нос влияние ВЧ-излучений на человека, которое отнюдь не ограничивается временем работы передатчика, постепенно вырастает в серьезную проблему, особенно, если учитывать тот факт, что индивидуальные средства связи развиваются очень быстро- Поэтому при проектировании таких систем необходимо обязательно разрабатывать способы защиты от излучений.

Еще одна серьезная проблема — измерение и оценка параметров антенных систем. Размеры антенн уменьшаются, тогда как размеры измерительных систем становятся по отношению к ним все больше, и произвести достоверные измерения во многих случаях вообще невозможно.

При изучении работы антенных систем с учетом окружающей обстановки используют различные сложные модели, поэтому здесь нельзя говорить о каких-либо стандартных методах. Что же касается отрицательного действия излучения на человека, то в каждой стране существуют стандарты по радиобезопасности [II].

3. ДОСТИЖЕНИЯ В ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

3.1. Миниатюрные антенны. Малогабаритные антенны впервые появились приблизительно в 1900 г., когда началось использование беспроводных систем связи. Затем были созданы Проволочные веерообразные и зонтичные антенны, а также различные средства, увеличивающие их КПД (заземление, нагрузки и др.). Это позволило постепенно увеличить дальность радиосвязи [12]. Поскольку в этот период еще не использовались лампы, характеристики антенны являлись определяющим фактором для дальности связи. Основная тактика заключалась в согласовании антенн и настройке в резонанс, и уже приблизительно в 1896—97 гг. были запатентованы такие изобретения, как конический вибратор, нагрузочная катушка, резонатор с LC-настройкой и диполь с горизонтальным емкостным элементом [13, 14].

Рассмотрим в хронологическом порядке важнейшие моменты развития антенной техники — наиболее характерные антенны, направления миниатюризации, основные исследования.

В 1900-х годах использовались, главным образом, проволочные электрически малые антенны. В 20-е годы для радиовещания и радионавигации начали применяться отражатели и радиорелейные системы. В 30 — 40-х годах появляется шелевая антенна, рассчитанная на основе теоремы эквивалентности, а также ферритовая антенна, которая позволила значительно увеличить эффективность катушки индуктивности. Теория миниатюрных антенн начала разрабатываться во второй половине 40-х годов. Благодаря ей в начале 50-х годов появляется частотно-независимая антенна. Кроме того, начинают применяться микрополоско-вые устройства, которые впоследствии используются в качестве антенн. В начале 60-х годов была изобретена активная антенна, а в конце их появились первые сообщения о сверхпроводящих антеннах, таивших в себе неограниченные возможности для миниатюризации.

В 70—80е годы началось применение диэлектриков для создания нагрузок и эквивалентных структур, что позволило резко продвинуться в области печатных и микро-полосковых антенных решеток. В 1976 г. по инициативе ВВС США был проведен симпозиум по миниатюрным антеннам [15], который собрал ведущих специалистов из Европы и Америки. Этот международный симпозиум был специально посвящен миниатюрным антеннам.

Рассмотрим некоторые математические зависимости для нахождения физических пределов миниатюризации антенн.

Первую работу на эту тему опубликовал Wheeler [4]. Его концепция основывалась на понятии излучателя, который представляет собой либо электрический диполь, либо магнитный диполь, либо их комбинацию я размеры которого позволяют ему разместиться внутри радианной сферы. При этом используется коэффициент излучения, равный отношению излучаемой мощности к полной подводимой мощности. Это позволяет связать размеры антенны с КПД и полосой частот. В дальнейшем эта концепция расширялась и совершенствовалась в [16—18]. Приведем некоторые ее положения:

1. Коэффициент излучения пропорционален объему излучателя.

2. Для увеличения коэффициента излучения необходимо строить антенну так, чтобы ее излучатель охватывался шаром как мож но большего объема.

Как следует из определения, , следовательно, при работе в узкой полосе частот(относительная полоса частот) КПД определяется потерями в антенне- Напротив, при широком диапазоне частот и КПД определяется потерями в цепи согласования. Кроме того, указывается, что если охватывающий излучатель шар заполнен в основном магнитным материалом, то это снижает добротность Q (повышает Кизл)

Chu представил поверхность излучения сферической функцией и для каждого типа волны ввел соответствующую эквивалентную схему, связав функциональной зависимостью объем сферы, охватывающей излучатель (радиус г), добротность и коэффициент усиления антенны:

при условии . В случае возбуждения ТЕ-волны величина Q уменьшается вдвое. Отсюда можно получить основные физические ограничения для миниатюризации антенн. Заметим, что при наличии потерь в антенне Q уменьшается.

Harrington получил аналогичные результаты с учетом потерь в антенне [19]. Его результаты развил Hansen [6], нашедший зависимости при различных значениях КПД.

Далее Stith [20] предложил рассматривать КПД антенны , как произведение КПД согласующих цепей т\щ и КПД антенного элемента ^{T. е.}

где

Rr — сопротивление излучения; — сопротивление потерь в антенне; — добротность антенного элемента.

Рассматривая вопрос широкополосного согласования с малогабаритной антенной, Wheeler ввел соотношение для качества согласования [18]. равного мощности излучения, деленной на мощность в согласованной нагрузке. Для случая согласования с помощью двухрезонансного контура

где (di — верхняя и нижняя граничная частоты; Pi — коэффициент излучения.

КПД антенны и ее добротность Q зависят от ее входного сопротивления Для элементарного малого вибратора 11 и радиуса о King дал точную формулу

.

В [21] Rispin привел упрощение выражения для проводимости излучения, а также представил ее в общем виде для произвольной точки входа.

Таким образом, была показана принципиальная возможность построения малогабаритной антенны, однако реально осуществить ее оказалось трудно, а именно, сложно получить соответствующее согласование. Что же касается миниатюризации элементов антенн, то здесь необходима была теория, которая бы изучала пределы миниатюризации с учетом потерь внутри элемента, характеристик всей цепей, связанных с антенной, формой элемента и т- д. Тогда процесс миниатюризации можно было систематизировать и свести к обычному проектированию (см. таблицу).

3.2. Влияние окружающей обстановки и среды излучения. Предметы, находящиеся вблизи антенны, изменяют ее характеристики, причем это влияние не обязательно ухудшает свойства антенны. Напротив, иногда это влияние можно использовать.

В (3) рассмотрен 150-МГц передатчик портативной системы поискового вызова, в котором применена рамочная антенна 65 х 13 мм. Предметы и детали, находящиеся в непосредственной близости, приводят к снижению Ку приблизительно на 5 дБ. Кроме того, для формирования общей ДН специально используются расположенные рядом проводящие предметы, в которых наводится вторичная ЭДС.

При проектировании антенн необходимо помнить о существовании опорных конструкций. Наиболее интересный пример расчета, при котором влияние опоры приводит к увеличению КПД, приведен в [40]. Помимо этого в [8] показано, что эффективность рамочной антенны, имеющей низкий КПД, увеличивается, если ее соединить с проводником длиной в половину волны. Для портативных аппаратов применяется F-образная антенна, которая обеспечивает достаточную широкополое ность. Итак, одним из способов улучшения характеристик антенны является расположение ее вблизи проводящих тел, т. е. опорные конструкции и антенну необходимо рассматривать как единую систему.

Человек, работающий на портативной аппаратуре, оказывает существенное влияние на характеристики антенны- В [9] и [41—44] широко рассмотрена эта проблема, приведены расчеты (выполненные с помощью моделей) и даны практические рекомендации.

В последнее время намного серьезнее стал подход к проблеме отрицательного влияния ВЧ излучений на человека, причем проблема выходит за рамки применения малогабаритных систем. Но именно малогабаритная аппаратура развивается сейчас очень быстрыми темпами и постепенно начинает представлять опасность для человека: ВЧ-излучение оказывает вредное воздействие на глазное дно и другие органы.

Наиболее существенными являются излучения портативных приборов, которые находятся в непосредственной близости от человека. До сих пор в соответствии с разными моделями получают различные оценки [10].До настоящего времени нет еще исследований вредных влияний ВЧ-излучений в зависимости от формы излучений, диапазона частот, поляризации, размеров ближней зоны, способа модуляции и других параметров.

4. КОНСТРУКЦИИ МИНИАТЮРНЫХ АНТЕНН

Требование малых размеров связано с КПД антенны и полосой пропускания; поэтому при проектировании электрически малых антенн приходится искать компромисс между размерами, КПД и широко-полосностью. Так как при миниатюризации не могут быть достигнуты одновременно все предельные значения параметров, существует много способов выбора формы и конструкции системы, нагрузки, используемых проводящих и других материалов и т. д. Среди основных методов проектирования — использование магнитных потоков (низкопрофильная антенна, невыступающая антенна [45], плоская антенна), принцип взаимности, учет собственных резонансов (уменьшение размеров и повышение КПД согласующих устройств), использование бегущих волн (сокращение размеров [46], подбор материалов (увеличение объема излучающих материалов [45], сверхпроводимость (повышение КПД).

Включение в антенну различного рода вставок (сопротивлений, индуктивностей, емкостей и схем реактивных элементов) позволяет сделать ее широкополосной и уменьшить ее высоту, что вдет к созданию более малогабаритных устройств. Кроме того, подключение к антенне активных элементов делает ее активной [47]. Изменяя диаграмму направленности, можно получить функционально малые антенны. Рассмотрим несколько вариантов таких антенн.

В [45] предлагается антенна носимого приемопередатчика, не стесняющая движений оператора и обеспечивающая скрытность использования аппаратуры. Антенна выполняется из металлизированной материи в виде двух полых цилиндров, образующих плечи вибратора. Найдено, что вносимые потери антенны в виде проволочного вибратора, укрепленного на рукаве, составляют 20 дБ, а потери предлагаемой антенны — 6 дБ. В качестве материала для изготовления антенны рекомендуется использование сетки из фосфористой бронзы.

Для уменьшения размеров, упрощения конструкции и обеспечения большего удобства работы предлагается размешать микрофон миниатюрного приемопередатчика на конце гибкой штыревой антенны, используемой в качестве крепления микрофона вблизи рта оператора [48]. Антенна выполняется из алюминиевого проводника, свернутого в цилиндрическую спираль. Спираль помещается в резиновую трубку.

В [46] рассмотрена антенна уменьшенной высоты, состоящая из симметричного вибратора и крестообразной щели, образованной двумя плоскими параллельными прямоугольными экранами, в одном из которых прорезана щель. ориентированная по его диагоналям. Коммутируя питание разъемов, можно осуществить сканирование кардиоидной ДН по азимуту.

5. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

На практике чаще всего применяются плоские и штыревые антенны. Широкий диапазон используемых антенн включает в себя также разнообразные антенные решетки. Их антенные элементы отличаются повышенным КПД и широкой полосой частот, т. е. наблюдается тенденция к применению широкополосных конструкций.

Электрически малые антенны используются, главным образом, в телевизионном приеме и средневолновой радиосвязи. В Европе и Америке ведутся активные исследования по применению активных миниатюрных антенн в подвижных пунктах управления [49].

В области электрически малых антенн техника достигла физических пределов миниатюризации. Хотя размеры и зависят от частоты, примером может служить антенна. у которой Р/<0.01 на частоте 100 МГц, длина равна 4,8 мм. Учет всех мешающих факторов при миниатюризации требует очень сложных расчетов.

Современная техника манипулирования простыми проводящими элементами, по-видимому. достигла некоторого предела, и для дальнейшей миниатюризации необходимо совмещение типов излучения, сложение различных волн. увеличение излучающих объемов и другие средства (50). Элементами такой техники являются разнообразные нагрузки [2]. Для решения поставленных проблем предлагается использование сверхпроводимости. а также новейших керамических материалов, непроводящих материалов (монокристаллов), ферритов |3]. СПИСОК ЛИТЕРАЛ РЬ!

1. Parry D,— Special Electronics, 1984, N 1.

2. Dragovic М. В., Popovic В. D,— In: Int. Conf. on Antennas and Propagation, Heslington, Pt 1. 1981.

3. Fujimoto Kyohei— J. Inst. Electron, and Commun. Eng. Jap. 1987, v 70, N 8.

4. Wheeler H. A.— Proc. IRE, 1947. N 12.

5. Chu L. J.—J. Appl. Phys.. 1948, N 12.

6. Hansen R. С.— IEEE. 1981, v. АР-69, N 2.

7. Fujimoto K., Hirasawa K. et al. Small Antennas, p. 4. Research Studies Press, London, 1986.

8. Hiroi Y„ Fujimoto K.— Int. Symp. Ant. and Propagat. Japan, 1978-

9. King H, D. IEEE Trans. Antennas Pro-

10. Chatterjee pag., 1977, v. AP-25, N 5. i. Chatterjee S.— IEEE Trans. Veh. Technol. 1985. v. VT-34, N 5.

11. American National Standard Institute. AN SI С> 95.1, 1982, N 7.

12. Ramsay J. F,— lEEEAPSoc. Newsletter, 1981, v. AP-23, N 12.

13. Пат. 427599 (Германия), 2.6. 1911. Marconi Wireless Tel. Сотр.

14. Пат. 504005 (Германия), 13.7, 1929. Marconi Wireless Tel. Сотр.

15. Newman E. H-— IEEE Trans. Antennas Propag.. 1982, v. AP-30, N 11-.

16. Wheeler H. A.—Proc. IRE, 1959. v. AP-47, N 8-.

17. Wheeler H. A.— IEEE Trans. Antennas Propag., 1985.. v. AP-33. N 2.

18. Wheeler H. A.— IEEE Trans. Antennas Propag., 1983, v- AP-31, N 3.

19. Harrington R. F.—J. Res- Nat. Bur. Stand. 1960, v. 64 D. N 1, 2. .

20. Smith 0. S." IEEE Trans. Antennas Propag.. 1977. v. AP-25. N 5.

21. Rispin L. W.— IEEE Trans. Antennas Propag., 1981, v. AP-29. N 5.

22. Page L— Phys. Rev., 1946. v. AP-69, N 6. .

23. Уолтер К. Антенны бегущей волны. Пер.с англ. Под ред. Чаплина А. Ф М.: Энергия. 1970. .

24. Амитей H. Теория и анализ фазированных антенных решеток. Пер. с англ. Под ред. Чаплина А. Ф.— М.: Мир, 1974.

25. Радиоэлектроника за рубежом. 1982. № 5, с. 1—45.

26. Kraus J. D. Antennas. McGraw-Hill. 1950.

27. Deschamps G. A.— 3 rd USAF Symposium on Antennas, 1953.

28. McDonough J. A.— IRE Nat. Conv. Rec.. 5, 1960, pt 1 .

29. Радиоэлектроника за рубежом, 1975, № 20, с. 3—34.

30. Walker О. В.—J. Appl. Phys., 1969, N 4.

31. Hiroi Y.. Fujimoto K.—Proc. ISAP Japan, 1971 .

32. Mayes P. E.— ieee Trans. Antennas Propag., 1972, v. AP-20. N 7-.

33. Schroeder K. G.— IEEE Trans. Antennas Propag., 1976, v. AP-24. N 7.

34. Landstorter F. M.— IEEE APS Int. Symp. 1976, N 10.

35. Goubau G.— Proc. of the ECOM — ARO Workshop on Electrically Small Antennas. USAF.. 1976, pp. 63—67.

36. King R. W. P. The Theory of Linear Antennas, Harvard University, 1956.

37. Richmond J. H Otto D. V.— IEEE Trans. Antennas Propag., 1969, v. AP-17, N 1.