Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование согласования малоразмерных штыревых антенн нефостеровскими цепями

Сведения об участнике
ФИО
Можаева Екатерина Игоревна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования ""Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина)” (СПбГЭТУ ""ЛЭТИ"")
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Материалы для электроники
Тема
Исследование согласования малоразмерных штыревых антенн нефостеровскими цепями
Резюме
Приведены результаты математического моделирования частотной зависимости коэффициента отражения на входе системы: штыревая малоразмерная антенна и конверторы отрицательного импеданса (КОИ) эквивалентные отрицательной емкости и последовательному LC-контуру. Получены характеристики устойчивой работы КОИ. Найдены ограничения полосы согласования с помощью КОИ штыревой малоразмерной антенны, подобные ограничению Боде-Фано для фостеровских согласующих цепей. Приведены результаты экспериментального исследования различных типов штыревых антенн, согласованных нефостеровскими цепями.
Ключевые слова
добротность,электрически малоразмерные штыревые антенны, конвертор отрицательного импеданса,отрицательные элементы
Цели и задачи
Цель: исследование способов согласования электрически малоразмерных антенн (ЭМА) с использование нефостеровских элементов, реализованных с помощью конвертора отрицательного импеданса (КОИ).
Задачи:
1) анализ устойчивости КОИ, реализующего отрицательную емкость, импеданс которой равен по модулю реактивной составляющей импеданса штыревой ЭМА на низких частотах;
2)определение ограничения полосы согласования штыревой ЭМА при включении КОИ, реализующего отрицательную емкость;
3)определение ограничения полосы согласования штыревой ЭМА при включении КОИ, реализующего последовательный LC-контур;
Введение

Все возрастающие требования к миниатюризации радиоаппаратуры приводят к уменьшению геометрических размеров антенны, увеличению добротности ее импеданса, что усложняет или делает невозможным согласование электрически малоразмерных антенн (ЭМА) в широком частотном диапазоне. Традиционные методы согласования не позволяют полностью устранить реактивность, частичное согласование можно достичь за счет цепей, содержащих большое число реактивных элементов. Цепи высокого порядка усложняют электрическую схему, и зачастую не дают согласования по шумам. В данной работе исследуется способ согласования ЭМА с использованием нефостеровских элементов, которые могут быть реализованы с помощью конвертора отрицательного импеданса (КОИ).

Методы и материалы

Для исследования малоразмерных антенн и КОИ использовались методы математического моделирования и экспериментальные исследования. Входные сопротивления малоразмерных штыревых антенн исследовались анализатором цепей фирмы Agilent. Кроме того эквивалентная схема импеданса штыревой электрически малоразмерной антенны  и математическая модель конвертора отрицательного импеданса были получены и исследованы в пакете программы MWO. С помощью математического анализа были выведены условия устойчивости конвертора отрицательного импеданса и получены ограничения полосы согласования малоразмерной штыревой антенны нефостеровскими цепями подобные ограничению Боде-Фано. 

Описание и обсуждение результатов

Был разработан макет конвертора отрицательного импеданса, реализующий отрицательную емкость-равную по номиналу входной емкости штыревой малоразмерной антенны. Выведенные условия устойчивости позволяют подобрать номиналы элементов согласующей цепи на базе конвертора отрицательного импеданса (КОИ) для стабильной работы. Ограничение полосы согласования малоразмерной штыревой антенны позволяет установить связь между параметрами входного импеданса антенны, рабочей полосой частот и минимальным значением коэффициента отражения в этой полосе. Результаты математического моделирования согласованной с помощью КОИ штыревой ЭМА показали выйгрыш в значении минимального значения коэффициента отражения |S11| по сравнению с  не согласованной штыревой ЭМА 5дБ. При оценке уровня согласования антенны по  выведенному ограничению полосы согласования в идеальном случае позволяет получить значение коэффициента отражения -8дБ. Таким образом полученные в работе  ограничения полосы согласования полезны разработчикам штыревым ЭМА, поскольку позволяют оценить минимально возможное значение коэффициента отражения , к которому можно приблизиться в идеальном случае.

После разработки макета КОИ был проведен ряд полевых измерений :

1) измерение с помощью панорамного приемника уровня принятого сигнала гетеродина на одной и той же КВ штыревой антенной системы радиомониторинга без конвертора отрицательного импеданса (включен только малошумящий операционный усилитель (МШУ)) и с включенным каскадно с антенной и МШУ конвертором отрицательного импеданса  для компенсации емкости штыревой антенны. С подключением КОИ уровень принятого сигнала значительно увеличивается в диапазоне от 1.5 МГц до 6,5 МГц. Соотношение сигнал/шум практически осталось при этом неизменным.Показано, что дальнейшее увеличение коэффициента усиления антенны возможно за счет согласования уровня импедансов КОИ и МШУ.Использование КОИ позволяет увеличить уровень принятого сигнала короткой штыревой антенной, сохранив соотношение сигнал/шум. 

2)измерение с помощью панорамного приемника уровней сигналов принятых двумя антеннами: стандартной штыревой антенной длиной 1.4м  и укороченной до 0.75м штыревой антенной при их одновременной работе. Подключение КОИ в цепь укороченной антенны приводит к увеличению уровня принятого сигнала на 20 дБмВ в диапазоне от 1,5МГц до 6МГц .При подключении КОИ в укороченной антенне уровень принятого сигнала равен, а местами и превышает уровень сигнала, принятого антенной стандартной длины без КОИ  в диапазоне 1.5МГц до 5.5МГц. 

Используемые источники
1.Щелкунов С. А., Антенны, М.
2.Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design
3.Volakis J., Small antennas: miniaturization techniques & applications
4.Youla D. C. A new theory jfbroad-band matching
5.Вай Кайчень Теория и проектирование широкополосных согласующих цепей
6.A.Hujanen, J. Holmberg,Bandwidth Limitations of Impedance Matched Ideal Dipoles
7.AberleJ.T. Two-port representation of an antenna with application to non-foster matching network
8.Беленко Д.В., Головков А.А., Можаева Е.И. Исследование характеристик конверторов отрицательной емкости и их использование для широкополосного согласования штыревых антенн// Известия вузов России. Радиоэлектроника, 2015, вып.4.,
9.S.E.Sussman-Fort, R.V.Rudish, “Non-Foster Impedance Matching of Electrically-Small Antennas”,
10.Грандштейн И.С Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений
Information about the project
Surname Name
Mozhaeva Katya
Project title
Research of coordination small-sized whip antennas by non-Foster chains
Summary of the project
The following results of mathematical modeling of frequency profile reflection coefficient of an entrance system are stated:
the whip small-sized antenna and NEGATIVE IMPEDANCE CONVERTERs (NIC) equivalent to the negative capacity and sequential LC circuit.
Stable operating characteristics of NIC are received. Strip restrictions of coordination within NIC of whip small-sized antenna, similar to restriction of Bode Fano for the non-Foster coordinating chains are found. Hereby results of an experimental study of different whip antennas’ types , coordinated by non-Foster chains, are given.
Keywords
quality, electrically small-sized whip antennas, NEGATIVE IMPEDANCE CONVERTER, the negative elements