Двухдиапазонная лопастная антенна

Тон или стиль этой статьи может не отражать энциклопедический тон , используемый в Википедии . См. руководство Википедии по написанию лучших статей для предложений. ( Февраль 2023 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Двухдиапазонная лопастная антенна — это тип лопастной антенны , которая представляет собой монопольную штыревую антенну, установленную снаружи самолета в виде лопастного аэродинамического обтекателя для уменьшения сопротивления воздуха. Она используется в системах радиосвязи авионики . Двухдиапазонный тип использует конструкцию «плоскость и щель», чтобы обеспечить эффективное всенаправленное азимутальное покрытие, что позволяет ему работать на двух различных радиодиапазонах .

Типичная монопольная антенна излучает радиомощность равномерно во всех азимутальных направлениях, перпендикулярных ее оси, причем мощность сигнала уменьшается с увеличением угла места, пока не достигнет нуля в зените.

Когда под монополем находится заземляющая плоскость, монопольную антенну можно рассматривать как дипольную антенну , где один ее конец становится заземляющей плоскостью для монопольного устройства. По этой линии концептуального мышления можно легко заключить, что излучение, исходящее от монопольной антенны, существует в половине пространства аналогичной дипольной антенны. Следовательно, максимальный коэффициент усиления вдвое больше, чем у типичного диполя, или на дополнительные 3 дБ. Следовательно, номинальное значение максимального коэффициента усиления для монопольной антенны составляет около 5,15 дБи.

Штуцман кратко излагает это следующим образом:

... Монополь — это диполь, разделенный пополам в центральной точке питания и подключенный к заземляющей плоскости... ^[1]

В этой статье рассматривается один тип двухполосного лезвийного монополя. Это слот внутри монополя. Вычислительное электромагнитное моделирование (CEM) используется для предоставления графиков операций для более концептуального понимания.

Dual-band работает в двойном режиме. Он работает на основе закона Ома V=IR, где V=напряжение, I=ток и R=сопротивление.

Уравнения монополя можно вывести путем проверки выводов дипольной антенны , при этом понимая, что все излучение происходит в половине объема над плоскостью земли по сравнению с дипольной антенной. Это приводит к следующим уравнениям:

Направленность

${\displaystyle D_{mono}={\frac {4\pi }{\Omega _{A,mono}}}=2D_{диполь}}$^[1]

Это напрямую приводит к ранее заявленному максимальному коэффициенту усиления для диполя, по определению коэффициента усиления, где - эффективность излучения антенны.${\displaystyle G=\epsilon D}$${\displaystyle \epsilon}$

Сопротивление

${\displaystyle Z_{A,моно}={\frac {1}{2}}Z_{A,диполь}}$^[1]

Стойкость к радиации

${\displaystyle R_{r,mono}={\frac {1}{2}}R_{r,mono}}$^[1]

Как можно увидеть в разделе «Взаимосвязь монополей и диполей» связанной статьи о радиационной стойкости .

Лезвийная антенна — это попытка создать более широкополосный монополь по сравнению с тонким проволочным монополем. Большинство лезвийных антенн имеют трапециевидную форму. Были сделаны вариации этой формы для аэродинамических целей, и были введены выемки для достижения лучшей широкополосной производительности. Этот тип монопольной антенны обычно используется в авиации для диапазонов частот VHF и UHF .

Более подробную информацию см. в Справочнике по проектированию антенн . ^[2]

Щелевая антенна может рассматриваться как диполь с противоположной поляризацией. Это связано с типичным питанием, которое задает ориентацию электрического поля (E-поля) по наименьшему линейному измерению щели. Следующие уравнения могут быть использованы для «перевода» вертикальной или горизонтальной щелевой антенны в ее дополнение (диполь):

${\displaystyle E_{\theta s}=H_{\theta c}\qquad E_{\phi s}=H_{\phi c}\qquad H_{\theta s}=\,-{\frac {E_{\theta c}}{\eta _{o}^{2}}}\qquad H_{\phi s}=\,-{\frac {E_{\phi }c}{\eta _{o}^{2}}}}$^[3]

где индекс S обозначает отверстие на экране, а индекс C обозначает его дополнение (диполь). Кроме того, , где — комплексная проницаемость , а — комплексная диэлектрическая проницаемость среды, в которую излучается излучение. Это предполагает неограниченную среду. Кроме того, все уравнения щели предполагают толщину экрана намного меньше длины волны ( , где λ — длина волны сигнала). Если бы они не считались верными, то нельзя было бы игнорировать интерференцию и существование мод.${\displaystyle \eta = {\ sqrt {\tfrac {\mu }{\epsilon }}}}$${\displaystyle \мю}$${\displaystyle \epsilon}$${\displaystyle <{\tfrac {\lambda }{10}}}$

Это определяется принципом Бабине , а расширение Букера еще больше расширяет этот принцип, включая поляризацию. Простые уравнения из принципа Бабине приведены на связанной странице, в которую автор внес свой вклад.

Двухдиапазонные антенны — не новая идея. В течение многих лет многие производители объединяли несколько элементов для создания антенн, работающих в двух отдельных диапазонах (не путать с так называемыми частотно-независимыми антеннами, такими как логопериодическая антенна ).

Одним из методов создания двухдиапазонной лопастной антенны является создание щели в лопастной антенне размером меньше или порядка , что гарантирует, что более низкая частота не «видит» щели (практическое правило заключается в том, что возмущение, создаваемое неоднородностью структуры размером меньше , пренебрежимо мало).${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{10}}}$${\displaystyle {\tfrac {\lambda }{10}}}$

Вычислительное электромагнитное моделирование (CEM) использует различные методы для численного расчета диаграммы направленности антенны.

Для нетренированного глаза это может показаться тривиальным. Хотя, проведя некоторые исследования и поразмыслив, можно понять, что все локальные структуры влияют на диаграмму излучения, будь то отражение, поглощение, преломление, окантовка или как часть излучающей структуры. Некоторые структуры, которые не являются локальными, также будут вызывать эти и другие элементы, включая блокировку и «переизлучение». Учитывая это, расчет может стать громоздким.

В CEM существует множество алгоритмов, включая, помимо прочего, метод моментов (MoM), метод конечных элементов (FEM) и равномерную теорию дифракции (UTD). Два примера пакетов программного обеспечения, которые используют эти методы в свободном пространстве, — это FEKO и WIPL-D. Приведенные здесь примеры взяты из WIPL-D. Важно отметить, что эти пакеты программного обеспечения должны использоваться теми, кто понимает процесс и может определить, являются ли расчетные результаты точными или ошибки в модели и входных данных привели к ложным выходным данным (согласно старой поговорке, что «мусор на входе равен мусору на выходе»).

В этом примере будет использоваться конструкция для приблизительной частоты 460 МГц для телеметрии и GPS частоты L1 (1575,42 МГц) в одном корпусе (я не решаюсь назвать это одной антенной, поскольку в нем два излучающих элемента, каждому из которых требуется свой собственный симметрирующий трансформатор для согласования). Обратите внимание, что они не согласованы ни с одной линией передачи, поэтому конструкция не будет практичной для использования; она предназначена исключительно для демонстрационных целей.

Ниже вы увидите настройки моделирования, используемые для моделирования. Заземляющая плоскость в два раза больше длины волны на частоте 460 МГц.

Ниже приведено сравнение горизонтальных диаграмм направленности излучения на L1 для лезвия и щели. Щель демонстрирует диаграмму направленности в виде восьмерки с приличным усилением, тогда как лезвие все еще излучает, но с меньшим усилением и очень похожей на дольку диаграммой, создающей нули. Обратите внимание, что для увеличения изображения перейдите по ссылке в каждой подписи или просто щелкните по изображению (щелчок по изображению обеспечит лучшее качество).

• Горизонтальные диаграммы направленности L1
• 
  Диаграмма направленности горизонтальной поляризации для слота на линии L1.
• 
  Диаграмма направленности горизонтальной поляризации для лезвия на линии L1.

Также следует отметить поляризацию двух элементов. Как уже говорилось, поляризация щели обусловлена ​​ее подачей, которая обычно проходит через наименьший линейный размер. Следовательно, эта щель поляризована горизонтально относительно плоскости заземления, а лезвие поляризовано вертикально относительно плоскости заземления.

• Вертикальные диаграммы направленности L1
• 
  Диаграмма направленности вертикальной поляризации для слота на линии L1.
• 
  Диаграмма направленности излучения вертикальной поляризации для лезвия на линии L1.

Здесь мы видим вертикально поляризованные диаграммы направленности или Vpol для 460 МГц.

• Вертикальные диаграммы направленности 460 МГц
• 
  Диаграмма направленности вертикальной поляризации для щелевого канала связи на частоте 460 МГц.
• 
  Диаграмма направленности излучения вертикальной поляризации для Blade на частоте 460 МГц. Ссылка.

В то время как здесь мы можем видеть диаграмму направленности Hpol как для лопастных, так и для пазовых элементов.

• Горизонтальные диаграммы направленности 460 МГц
• 
  Диаграмма направленности горизонтальной поляризации для щелевого канала связи на частоте 460 МГц.
• 
  Диаграмма направленности горизонтальной поляризации для Blade на частоте 460 МГц.

Из предыдущего раздела видно, что двухдиапазонная лопастная антенна может быть как полярно-разнесенной, так и двухдиапазонной. Полосы, выбранные для этого примера, относительно близки по частоте и обеспечивают ограниченную демонстрацию возможностей такого устройства, однако они иллюстрируют, чего можно достичь. При достаточном пространстве можно эффективно покрыть две совершенно разные полосы, каждая с противоположной поляризацией.

Это также наглядно иллюстрирует, что влияние прямоугольного щелевого излучающего элемента на диаграмму направленности монополя с более низкой частотой пренебрежимо мало. Это связано с ранее упомянутым правилом, которое рекомендует делать щель меньше одной десятой частоты работы лопасти, гарантируя, что более низкая частота не «увидит» щель.

Объединяя два элемента таким образом, можно снизить затраты на производство и сэкономить место при монтаже антенны. Стоит еще раз отметить, что каждый излучающий элемент должен иметь различную структуру питания и, вероятно, различную согласующую сеть.