Несимметричная вибраторная антенна на основе фазокорректирующей диэлектрической линзы

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ВУНЦ ВВС «ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Воронежский государственный технический университет

АО НПП "Автоматизированные системы связи"

Несимметричная вибраторная антенна на основе фазокорректирующей диэлектрической линзы

Алиев Д.С., Иванов А.В.,

Пастернак Ю.Г.,

Пендюрин В.А., Чесноков Е.С.

Воронеж, Россия

Аннотация

Представлена модель несимметричной вибраторной антенны, выполненной на базе диэлектрической цилиндрической линзы с воронкообразным осевым отверстием, приведены результаты численного моделирования.

Ключевые слова: несимметричная вибраторная антенна, диэлектрическая линза, диаграмма направленности, диаграмма Вольперта-Смита, коэффициент стоячей волны.

Для повышения устойчивости и надёжности радиосвязи в широкой полосе частот для управления и обмена информацией между специальными малогабаритными роботизированными комплексами (например, беспилотными летательными аппаратами) и пунктом управления необходимо изыскивать возможности повышения энергетического потенциала на интервале роботизированное устройство - пункт управления. Вариантом технического решения увеличения уровня сигнала на интервале может являться разработка и внедрение малогабаритных, экономичных антенных устройств с повышенным уровнем излучаемой электромагнитной энергии [1, 2], построенных на базе линзовых структур различной конфигурации, исполненных из современных диэлектрических материалов. В частности, для повышения энергетического потенциала полноазимутальных антенн используются линзы различного типа [3-7].

В статье предложен вариант полноазимутальной антенны, конструкция которой основана на фазокорректирующем свойстве диэлектрической цилиндрической линзы. [8].

Антенна представляет собой цилиндр из полистирола с воронкообразным (гиперболическим) отверстием, плечо несимметричного вибратора конической формы (ориентированное вертикально по оси симметрии в отверстии цилиндра), закрепленных на металлизированной круглой подложке, выступающей в роли основания конструкции и области нулевого потенциала для вибраторной антенны. Общий вид и геометрические размеры представлены на рисунке 1.

а) б)

в)

Рисунок 1 Вид антенны а) сверху, б) снизу, в) в разрезе

Круглая металлическая подложка, диаметром равным диаметру цилиндра линзы, выполнена из тонколистовой меди.

Питание антенны организуется подключением фидерной линии с волновым сопротивлением 50 Ом (центральная жила коммутируется к вершине конуса, оплётка - к поверхности медной подложки).

Тело линзы антенны возможно исполнить при помощи FDM технологии, при промышленном производстве - методом литья под давлением.

На рисунках 2-5 приведены результаты численного анализа характеристик антенны, произведённого в полосе частот от 1 ГГц до 21 ГГц.

Рисунок 2 Зависимость коэффициента направленности и коэффициента усиления антенны от частоты

Расчётные значения коэффициента усиления в указанном диапазоне варьируется от 4 до 13 дБ. Причём, на частотах диапазона 2,4-5,6 ГГц (который в настоящий момент используют для организации прямых широкополосных каналов радиосвязи с роботизированными комплексами) коэффициент усиления изменяется в пределах 5,5-9 дБ, что в 2-3 раза превосходит по данному параметру часто применяемые штыревые антенны.

Рисунок 3 Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты

несимметрический вибраторный антенна роботизированный связь

Коэффициент стоячей волны (КСВ) почти во всём исследуемом диапазоне в целом находится в пределах от 1 до 2, что подтверждает работоспособность разработанной модели антенны в широкой полосе частот.

а)

б)

Рисунок 4 а) Импеданс антенны (комплексное сопротивление Z, Ом) в исследуемой полосе частот; б) диаграмма Вольперта-Смита

Импедансная характеристика и диаграмма Вольперта-Смита показали предварительный расчётный разброс входного сопротивления антенны от 30 до 95 Ом, что скажется на согласовании антенны с пятидесятиомным фидерным трактом. Данный разброс, как вариант, возможно компенсировать подключением согласующего трансформатора.

Рисунок 5 Расчётный вид диаграммы направленности на рабочей частоте 5,6 ГГц

Использование подстилающей металлизированной подложки в сочетании с фазокорректирующей линзой позволили получить предварительную расчётную диаграмму направленности квазитороидальной формы усечённой в горизонтальной плоскости (рисунок 5).

Диаграммы направленности в угломестной плоскости для всех рассмотренных рабочих частот приведены в таблице. Для оценки габаритно-массовых показателей на основе разработанной модели антенны с использованием технологии FDM был исполнен действующий макет, изображённый на рисунке 6. Масса антенного устройства составила 126,22 г.

Рисунок 6 Действующий макет антенны

Таблица

Диаграммы направленности по углу места

Выводы

1. Полученные габаритно-массовые параметры предоставляют возможность разместить разработанную антенну на роботизированном устройстве среднего класса без ощутимого влияния на общие габариты и массу конструкции.

2. По расчётным значениям коэффициента усиления, импедансной характеристике, значениям коэффициента стоячей волны представленная модель антенны способна конкурировать со штыревыми антеннами, применяемыми в известных образцах роботизированной техники [9], хотя несколько проигрывает в массе (что естественно диктуется наличием линзы).

3. Полученная диаграмма направленности позволяет спрогнозировать возможность применения данной антенны в составе оборудования канала передачи данных роботизированных комплексов, так как реализуется режим полноазимутального излучения с относительно высоким уровнем.

Перспективу работы с данной моделью антенны авторы видят в уменьшении габаритно-массовых параметров линзового устройства и улучшении условий согласования за счет внесения структурных изменений на поверхностях линзы.

Список литературы

1. Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Советское радио, 1974, 280 с.

2. Кашин С.В. Расчёт линз из однородного диэлектрика // Радиотехника. - 1990. - №1. - С.87-88.

3. Многослойная диэлектрическая тороидальная антенна: пат. 2713034 С1 Рос. Федерация: МПК H01Q 15/08, H01Q 15/02, H01Q 1/36/ Алиев Д.С., Беляев М.П., Войтенко С.Р., Иванов А.В., Иванов А.В., Пастернак Ю.Г.; патентообладатель Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного» Министерства Обороны Российской Федерации (Минобороны России).

4. Тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием в полном телесном угле: пат. RU 2297698 C2, H01Q 15/08 /Медведев Ю.В., Скородумов А.И., Харланов Ю.Я.; патентообладатель 16 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Министерства обороны Российской Федерации (Минобороны России).

5. Патент RU 195549 U1, заявка: 2019133029 от 2019.10.16

6. Патент RU 2236073 С2, заявка: 2002124008/09 от 2002.09.11

7. Патент RU 2147150 C1, заявка: 98109732/09 от 1998.05.26

8. Алиев Д.С., Беляев М.П., Иванов А.В., Пастернак Ю.Г, Мустафаев Т.М., Войтенко С.Р. Полноазимутальная антенна наземного пункта управления/ Перспективы развития комплексов с БПЛА, систем и средств технической эксплуатации [текст]: сб. ст. по материалам I Всероссийской НПК «Беспилотная авиация: состояние и перспективы развития» (5-6 марта 2019 г.). - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. - 256 c. - С. 118-123

9. Cobham Antenna Systems [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Cobham 2021. Antennas & Accessories

Размещено на allbest.ru