Уменьшение влияния близкорасположенных металлических конструкций на параметры антенн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ БЛИЗКОРАСПОЛОЖЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

А.С. Ряховский, Р.А. Асташов

АО «Концерн «Созвездие», Воронеж, РФ

Рассмотрен вопрос уменьшения влияния близкорасположенных металлических конструкций на параметры антенн УКВ-диапазона посредством разрыва токов, протекающих по этим конструкциям. Приведены результаты экспериментальных исследований на реальном объекте.

Ключевые слова: антенна; КСВ; разрыв тока; ферритовое кольцо.

A.S. Ryakhovskiy, R.A. Astashov

DECREASING CLOSELY SPACED METALLIC CONSTRUCTION EFFECT ON ANTENNA PARAMETRES

The problem of reduce the influence of nearly metallic structures for antenna parameters of the VHF band by gap currents flowing through these structures is considered. The results of experimental research on the real object.

Keywords: antenna; SWR; the gap current; ferrite ring.

Введение

Системы и средства ведомственной, корпоративной и мобильной связи, работающие в различных диапазонах частот, требуют применения индивидуальных антенн и антенных устройств различного типа. При этом антенны некоторых типов (штыревая) могут устанавливаться непосредственно, например, на крышах транспортных средств. Антенны других типов (дипольные, рамочные, параболические и пр.) часто требуют их размещения на металлических конструкциях (подставках, мачтах) различной высоты. В силу ограниченности размеров имеющегося пространства на транспортных средствах или на крышах небольших зданий, применяемые антенны располагаются в непосредственной близости от разного рода металлических вертикальных конструкций, и протекающие по этим конструкциям токи приводят к их заметному влиянию на параметры антенн, выражающемуся в искажении диаграммы направленности и ухудшении согласования. Это особенно актуально для штыревых антенн УКВ-диапазона, использующих в качестве противовеса металлическую подстилающую поверхность, например, крышу транспортного средства, поскольку в этом случае близкорасположенная металлическая конструкция электрически является частью противовеса, и, соответственно, токи, протекающие по ней, имеют значительную величину. Для широкополосных антенн, к тому же, вероятность того, что резонансная частота близкорасположенной металлической конструкции попадает в рабочий диапазон антенны или близка к нему, выше, чем для узкополосных. Поэтому задача уменьшения влияния мешающих металлических конструкций на параметры антенн является актуальной.

Меры по снижению влияния близкорасположенных металлических конструкций на параметры антенн

Для уменьшения влияния на антенну окружающих металлических конструкций (в первую очередь, с небольшим поперечным сечением: подставок, мачт, коробок небольшого горизонтального размера …) предлагается уменьшить величину протекающих по ним токов:

- разбиением вертикального размера металлической конструкции на части, значительно меньшие длины волны, для того, чтобы разорвать протекающие по ним токи. Собственная частота резонанса получившихся отрезков увеличится и будет выведена за пределы рабочего диапазона антенны. Связь этих отрезков с антенной заметно ослабнет.

- для штыревых антенн, помимо этого, очень важно «оторвать» электрически мешающую конструкцию от «земли», то есть, от крыши транспортного средства (противовеса).

Организовать разрыв токов можно чисто конструктивно, электрически или смешанным способом.

1. К конструктивным способам можно отнести замену металлических вертикальных элементов (ферм, подставок, мачт, труб и пр.) диэлектрическими, применение диэлектрических вставок, прокладок и воздушных зазоров в металлических элементах конструкций (рисунок 1).

Рис.1

Рис. 2

влияние близкорасположенный металлический антенна

Реализация этого варианта представляет существенные практические сложности. К тому же, между отрезками будет некоторая емкостная связь, и токи в какой-то степени будут протекать.

2. Электрические способы основаны на создании на внешней поверхности металлических конструкций сосредоточенных (или распределенных) индуктивностей. Проще всего посредством применения ферритовых материалов. Например, в антенной технике для нейтрализации антенного эффекта фидера уже более 50 лет успешно применяют ферритовые кольца, либо просто надеваемые на оплётку, либо с несколькими витками кабеля на них [1] - рисунок 2.

При этом для металлических конструкций небольшого поперечного размера (трубы, мачты) удобно использовать стандартные ферритовые кольца (рисунок 3).

Рис.3 Рис.4

Для конструкций большого поперечного размера (ящики, короба, кожуха габаритных устройств, например, дизельных электроагрегатов, кондиционеров и пр.) возможно применение ферритовых пластин, располагаемых по периметру (рисунок 4).

При выборе размеров ферритовых колец нужно придерживаться правила: для убедительного разрыва токов модуль полного электрического сопротивления индуктивности, образованной ферритовым кольцом и находящимся внутри него проводником (подставкой или мачтой) на требуемой частоте должен превышать сопротивление питающей линии в 10-20 раз.

Феррит - чрезвычайно хрупкий материал, поэтому кольцо должно быть заключено в достаточно прочный кожух из диэлектрика, предпочтительно с большими потерями, чтобы своим поглощением несколько усилить действие ферритового кольца.

3. Комбинированные способы используют оба метода. Так, если мешающая конструкция представляет собой антенну, устанавливаемую на металлической подставке или мачте, возможно применение диэлектрических прокладок для разрыва протекающих по поверхности подставки или мачты токов, а одновременно для разрыва токов, протекающих по поверхности расположенного внутри подставки или мачты фидера, использовать ферритовые кольца (рисунок 5).

Рис.5

Недостаток - необходимость переделки подставки или мачты и низкая механическая прочность. Но в местах, где подставка через фланец соединяется с дипольной антенной либо противовесом этот способ вполне применим.

Схема эксперимента и результаты

Экспериментальные исследования были проведены на реальном объекте, представляющем собой транспортную базу с расположенной на её крыше штыревой антенной диапазона 30 - 108 МГц и имеющей в данном диапазоне коэффициент стоячей волны КСВ ? 3,5 в идеальных условиях.

Крыша в плане представляет собой платформу 7,7Ч3 м с рядом наклонных плоскостей, множеством металлических коробов и перепадом высот порядка 1 м.

Максимальный КСВ для штыревой антенны в диапазоне 30-55 МГц составлял величину порядка 4-5, что для данных конкретных сложных условий считается приемлемым.

В непосредственной близости от неё, на расстоянии ~1 м, на поворотной платформе располагалась дипольная антенна диапазона 400 МГц на металлической подставке диаметром 76 мм и высотой ~ 1 м. В походном положении подставка принимала горизонтальное положение. В рабочем положении подставка устанавливалась вертикально, примерно как на рисунке 5.

Подставка оказывала наибольшее отрицательное действие на штыревую антенну. При нахождении её в походном положении (горизонтально) КСВ штыревой антенны практически не превосходил значений 4-5. При подъёме подставки дипольной антенны в рабочее положение (вертикально) КСВ увеличивался до 8-9, что сразу становилось фатальным для возможности организации радиосвязи.

Для уменьшения влияния данного близкорасположенного тела на параметры штыревой антенны применялись описанные выше способы в различных комбинациях. При этом воздушный зазор составлял величину 2 см, ферритовые кольца имели размер 120Ч80Ч12 мм с м = 2000.

Схема эксперимента показана на рисунке 6.

Рис.6 Здесь: 1 - дипольная антенна 400 Мгц; 2 - фланцы для крепления подставки к крыше транспортного средства и крепления дипольной антенны к подставке; 3 - воздушный зазор между фланцами; 4 - ферритовое кольцо; 5 - металлическая подставка для крепления дипольной антенны.

На рисунке 6 показано максимальное число применяемых способов «разрыва» (уменьшения) токов - воздушных зазоров и ферритовых колец. В экспериментах число воздушных зазоров варьировалось от 0 до двух, число ферритовых колец от 0 до пяти. Причём три нижних кольца располагались в местах, равноудалённых друг от друга.

Сразу же выяснилось, что применение верхнего кольца, располагаемого непосредственно на стойке дипольной антенны, практически не влияет на результаты эксперимента (что и так очевидно из общефизических соображений). В дальнейшем из экспериментов оно было исключено.

Наиболее характерные результаты приведены в таблице 1.

В заголовках столбцов таблицы непосредственно изображены варианты использования способов «разрыва» токов.

Таблица 1

Заключение

Результаты, полученные в ограниченном числе экспериментов, позволяют сделать предварительный вывод о высокой эффективности данного способа уменьшения влияния близкорасположенных металлических конструкций на параметры антенн. Для фактически полного устранения влияния мешающих конструкций, расположенных от штыревой антенны на расстоянии, по крайней мере, до 0.2л (где л - длина волны), достаточно обеспечить разрыв тока на части менее ~0.1л механическим способом либо применением ферритовых колец. Причём, для штыревых антенн, особенно важно «оторвать» электрически мешающее тело от противовеса, для чего в месте соединения мешающего тела с противовесом следует применить кольца большего типоразмера.

Литература

1. Мединец Ю.Р., Симметрирующее устройство. 150886, заявл. 14.11.1961, опубл. 01.01.1962.

References

1. Medinets U.R., Balun. 150886, stated. 14.11.1961, publ. 01.01.1962.

Размещено на Allbest.ru