Назад в библиотеку

Численное и экспериментальное исследование спиральных антенн GPS для применения

Автор: Ф.Ф. Дубровка, Д.С. Долженко, А.Ю. Сушко
Источник: Матеріали 7-ї Міжнародної конференції Теорія та техніка антен, Львів, Україна, 9-12 червня 2009 р. / "Теорія та техніка антен"; Національний університет „Львівська політехніка”. - Л. : Видавництвово Національного університету "Львівська політехніка", 2009. - 400 с. : іл. - С. 210-212

http://ena.lp.edu.ua:8080/bitstream/ntb/5216/1/56.pdf

Аннотация

Представлены результаты исследований и разработок спиральных антенн для производства узкой и широкой диаграммы направленности, выполненные для приложений GPS.

Ключевые слова: винтовая коническая антенна, спиральная цилиндрическая антенна, GPS антенна

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Недавно был вызван спрос на приложения по проектированию простой антенны круговой поляризации для GPS (Global Positioning System). Есть целый ряд антенн, которые излучают и получают волны круговой поляризации. Среди них известны простые спиральные излучатели,  которые находят применение в широкополосных антеннах, отражателях антенных каналов, элементах массива антенн. Однако, несмотря на многие материалы и работы [например, 1-3] посвященные спиральным антеннам существует недостаток подробной информации о выборе геометрических параметров, чтобы получить указанную диаграмму излучения, особенно с очень широким основным лепестком и довольно хорошей круговой поляризацией. Сферическая четырехфилярная спиральная антенна, которая обеспечивает широкую диаграмму излучения (ширина луча на 3 дБ до 1400) была представлена в [4], но конструкция такой антенны значительно усложнена.

 

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Данная статья посвящена исследованиям и разработкам спиральных антенн, пригодных для применения GPS, поэтому предоставим следующие электрические характеристики: антенна 1 - 3 дБ ширина луча ≥ 1350, правой круговой поляризации, осевой соотношение составляет не менее 0,7 КСВ <1.5, антенна 2 - 3 дБ ширина луча ≤ 400, остальные параметры такие же, как для антенны 1. Центральный рабочих частот для GPS приложений 1227 и 1575 МГц. Мы численно (с использованием программного обеспечения CSTMS) исследовали ближайшие пять типов антенн (рис. 1) для выбора оптимальных параметров, упомянутых выше:

  1. спиральная антенна на сфере
  2. коническая спиральная антенна
  3. цилиндрическая спиральная антенна
  4. плоские спиральные антенны
  5. четырехфилярная  цилиндрическая спиральная антенна.

 Рис. 1. Модель: а) четырехфилярная цилиндрическая винтовая антенна, б) спиральная антенна на сфере, в) плоская спиральная антенна, г) коническая спиральная антенна, д) цилиндрическая спиральная антенна.

Размеры всех антенн выбраны для удовлетворения вышеупомянутых характеристик GPS на центральной частоте. Удовлетворительное соотношение сигнал шум достигается с помощью экрана с размером диаметра близким к действующей длине волны (в соответствии с данным соотношением сигнал/шум коэффициент излучения около 15 дБ). В антенне типа 1 только длина одного оборота равна рабочей длины волны. Это позволяет получить низкий SLL (уровень боковых лепестков). Бифилярные винтовые и спиральные антенны выбраны для получения необходимых осевых соотношений. Что касается ширины луча, то  она имеет  определенную связь с антенной, поэтому антенны указанные выше сравниваются на полосе пропускания 3 дБ. Способы достижения других параметров, показанных выше.

3 дБ пропускная способность рассчитана на пять типов антенн представлены в табл.1.

Аntenna

3-dB beamwidth

спиральная антенна на сфере

 

84

коническая спиральная антенна

 

144

цилиндрическая спиральная антенна

 

38

плоские спиральные антенны

 

93

четырехфилярная  цилиндрическая спиральная антенна.

 

79 on average (un-

symmetrical)

На рис. 2 и рис. 3 показаны соответственно диаграммы направленности антенны плоской спирали и спиральной антенной на сфере. После нашего анализа стало ясно, что коническая антенная спираль сможет обеспечить заданные параметры. Таким образом, она была выбрана для дальнейшего анализа. Также был сделан вывод, что лучшие параметры антенны 2 могут быть достигнуты с помощью цилиндрической спиральной антенны. Для такой антенны требуемая ширина луча может быть достигнута путем проверенным выбором числа витков. Оптимальная обмотка угол 12-150 [1], что обеспечивает минимум резервного уровня излучения и высоких осевых отношения. После оптимизации геометрии цилиндрической спиральной антенны были получены следующие значения: экран диаметр - 100 мм, диэлектрическая проницаемость материала цилиндра - 2,2, обмотка угол - 130, число оборотов - 7. Модель этой монофилярной винтовой цилиндрической антенны показано на рис. 1, е. Она имеет следующие характеристики излучения:

 

Рис. 2. Диаграмма направленности плоской спиральной  антенны


Рис. 3. Диаграмма направленности спиральной антенны на сфере

Рис. 4. Диаграмма направленности цилиндрической винтовой

антенны

Рис. 5. Осевой коэффициент для цилиндрической спиральной антенны

Согласование с антенной было обеспечено с помощью использования четвертьволнового трансформатора и специальных полос соответствия. Питание было произведено обычным способом с использованием коаксиального разъема, который помещается на экране. В результате был получен КСВ ≤ 1,5 в частотном диапазоне 1,1 - 1,7 ГГц. Был изготовлен экспериментальный прототип, с которого были измерены характеристики. Теоретическая (пунктирная линия) и экспериментальная (сплошная линия) модели излучения цилиндрических винтовых антенн показаны на рис. 4. Осевые отношения от угла показаны на рис. 5. Между двумя известными вариантами винтовых конических антенн конструкция - с постоянным углом и обмотка с постоянным шагом - коническая спиральная антенна с постоянным шагом (рис. 1, г) была выбрана, потому что мы не имеем необходимость в широком диапазоне применений GPS. Антенна была оптимизирована для антенны 1. При меняющейся высоте и постоянном нижнем радиусе конуса мы также получаем изменение обмотки угла, угла конуса и шаг.

После параметрической оптимизации геометрии бифилярной конической спиральной антенны было получено: высота - 185 мм, диаметр экрана - 150 мм, диэлектрическая проницаемость конуса материала - 1,2, обмотка угол - 130.Такая геометрия обеспечивает необходимые характеристики:

Согласование с антенной было обеспечено с помощью использования четвертьволнового трансформатора. Питание симметричное, коаксиальная линия идет через диэлектрик в верхней части диэлектрической конуса. Экспериментальный прототип был изготовлен, и его характеристики были измерены. Теоретическая (штриховая линия) и экспериментальная (сплошная линия) диаграммы направленности конической спиральной антенны, показаны на рис. 6. Осевое соотношение по сравнению с углом показано на рис. 7.

Рис. 6. Диаграмма направленности конической спиральной антенны

Рис. 7. Осевой коэффициент для конической винтовой антенны

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пять типов винтовых и спиральные антенны были оптимизированы в целях удовлетворения технических требований к GPS приложению. Было установлено, что только цилиндрическая и коническая спиральные антенны полностью соответствуют требуемым технические характеристикам. Численные результаты оптимизации были доказаны благодаря измерениям прототипа.

 

ССЫЛКИ

1. Kraus J. D. “Antennas,” McGraw-Hill Book Co,Inc., New Jork, N.Y.; 1950.

2. Nakano H. “Helical and Spiral Antennas: A Numerical Approach.” – Letchworth; New York etc. Rec. Stud. Press. John Wiley and Sons, 1987.

3. Yurtsev O. A., Runov A. V., Kazarin A. N. “Spiral antennas.” M. Sov. radio, 1974. – 224p.

4. Ali Mirkamali, et al. “A Novel Quadrifilar Helix Antenna for Use in LEO Satellite Communications,”

Int. Conf. on Ant. Theory and Tech., Sevastopol, Ukraine. – 9-12 Sept. 2003. – pp. 509-511.