CC BY
198
УДК 621.396.663
АНАЛИЗ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ С УЧЕТОМ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ И ВЛИЯНИЯ НОСИТЕЛЯ
Л.А. Носова, Ю.Г. Пастернак, А.С. Самодуров
Для различных целей могут применяться антенные решетки, построенные по разным геометрическим принципам и состоящие из разных элементов. В данной работе проанализированы диаграммы направленности пеленгационной антенной решетки, состоящей из трех и девяти вертикальных полуволновых вибраторов. Диаграммы направленности представляют собой взаимокорреляционные функции идеального и реального пеленгов. Приведены формулы для расчета этих функций. Антенная решетка расположена на борту беспилотного летательного аппарата (квадрокоптера). Это предопределяет влияние носителя на характеристики решетки, в частности на диаграмму направленности. Проведенное численное моделирование показывает сильную зависимость ее формы от числа элементов антенной решетки и особенно сильное влияние аппарата-носителя на высоких частотах рабочего диапазона при специфических углах прихода электромагнитной волны. Для трехэлементной решетки выявлены большие уровни заднего и боковых лепестков на всех анализируемых частотах, кроме самой низкой 450 МГц. Влияние носителя наиболее заметно на самой высокой частоте 1800 МГц при угле прихода волны 90°
Ключевые слова: диаграмма направленности, антенная решетка, квадрокоптер
Кольцевые антенные решетки могут применяться для целей радиоразведки, радиомониторинга, радиопеленгации,
радиопротиводействия, местоопределения,
различных видов РЭБ и РЭП [1, 2]. Они могут быть составлены из различных типов вибраторных, биконических, гантелеобразных, щелевых антенн и даже рупорных излучателей [3, 4].
В зависимости от преследуемых целей, диапазонов частот и используемых методов пеленгации могут применяться как стационарные, так и мобильные кольцевые антенные решетки размещенные на каком-либо носителе [5, 6]. Носителем может являться, в том числе наземное или воздушное транспортное средство: различного вида автомобили, бронемашины, самолеты, вертолеты и даже беспилотные летательные аппараты [7] (БЛА) - рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид носителя
Носова Лилия Андреевна - ВГТУ, магистрант, e-mail: liy1994@mail.ru
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: pasternakug@mail.ru Самодуров Александр Сергеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: unaxel2000@mail.ru
Предлагается проанализировать диаграммы направленности пеленгационной антенной решетки, состоящей из трех и девяти вертикальных полуволновых вибраторов. Возможно применение различных методик расчета [8, 9], но в данном случае анализируемые диаграммы направленности являются на самом деле взаимокорелляционными функциями [10, 11], полученными с учетом «идеальных» фаз источников сигналов рассчитанных в программе МаШСАЭ и «реальных» углов прихода электромагнитной волны по следующей формуле:
N
DN (р) = 2 ехр0>и) • п=1
• ехр(-/' • k • (х • соб(^) + у • 5ш(<р) - К)), 0 п п
где к =-,
0 7 л0
(п
х = К • -),
п N
(п
у = К • sin(-),
п N
БЫ - функция направленности АР;
р - азимутальный угол, рад.;
Я0 - длина волны в свободном пространстве, м;
у/п - фаза тока в п-м вибраторе, рад.;
хп, уп - координаты п-го вибратора АР, м;
К - радиус АР, м;
N - число элементов АР.
Диаграммы направленности для наиболее характерных углов и частот приведены на рисунках 2 - 16. Сплошной линией нанесены диаграммы для трехэлементной решетки, пунктиром для девятиэлементной.
На рис. 2 для частоты 450 МГц и угла прихода волны 30° никаких особых отличий трехэлементной решетки от девятиэлементной не видно, диаграммы направленности практически совпадают, лишь
несколько большую величину имеет «задний лепесток» трехэлементной антенны, но уровень заднего излучения не столь значителен, как и разница в уровнях излучения между двумя конструкциями.
Из рис. 3 следует что для частоты 900 МГц и того же самого угла прихода волны 30° влияния носителя на диаграммы направленности не заметно, лишь для трехэлементной решетки можно отметить значительный рост и раздваивание заднего лепестка, в целом диаграммы симметричны.
30
270
Рис. 2. Диаграммы направленности для угла прихода волны 30° и частоты 450МГц
270
Рис. 4. Диаграмма направленности для угла прихода волны 30° и частоты 1800 МГц
На рис. 5 приведены диаграммы направленности для частоты 450 МГц и угла прихода волны 60°. Как и для угла 30°, влияния носителя в данном случае не заметно, уровень заднего излучения еще меньше, а для девятиэлементной решетки диаграмма
направленности принимает вид кардиоиды с провалом вместо заднего лепестка.
90
120 Т.—60
330
Рис. 5. Диаграммы направленности для угла прихода волны 60° и частоты 450МГц
Рис. 3. Диаграммы направленности для угла прихода волны 30° и частоты 900 МГц
Несимметричность диаграмм направленности, вызванная по всей видимости влиянием носителя проявляется только на следующей анализируемой частоте 1800 МГц (рис. 4), кроме того значительно возрастает уровень заднего лепестка для трехэлементной решетки, практически достигая уровня главного.
Для азимутального угла прихода волны 60°, как для «равносигнального» направления с точки зрения симметрии решетки, наблюдается необычная картина на частотах 900, 1800 МГц (рис. 6 и 7) -боковые и задний лепестки диаграмм направленности трехэлементной решетки практически достигают уровня главного.
Здесь растет неоднозначность т.к. трехэлементная решетка является слишком «редкой» для такой длины волны. По всей
о
Ф
О
Ф
о
Ф
о
Ф
видимости, элементы решетки расположены слишком далеко друг от друга. Более того -диаграмма для частоты 1800 МГц практически рассыпается, видимо, из-за того, что решетка фактически становится двухэлементной, на пути следования электромагнитной волны стоит один из вибраторов, а два оставшихся симметрично от него на равном линейном и угловом удалении, что определяет равные набеги фаз на них и явно не способствует повышению точности.
90
270
Рис. 6. Диаграммы направленности для угла прихода волны 60° и частоты 900 МГц
Рис. 7. Диаграмма направленности для угла прихода волны 60° и частоты 1800 МГц
Судя по рис. 8, практически совпадающему по форме с рис. 5, можно сказать, что для частот порядка 450 МГц никакой зависимости от угла поворота, от влияния квадрокоптера как носителя или от строения решетки в данном случае не выявлено.
На рис. 9 для следующей анализируемой частоты 900 МГц и угла прихода волны 90° в случае трехэлементной антенной решетки задний лепесток растет по уровню и раздваивается по сравнению с девятиэлементной, как и на рис. 3, влияния конструкции аппарата носителя здесь также не видно.
90
120 ---SO
330
270
Рис. 8. Диаграмма направленности для угла прихода волны 90° и частоты 450 МГц 90
330
Рис. 9. Диаграмма направленности для угла прихода волны 90° и частоты 900 МГц
На частоте 1800 МГц (рис. 10) на первый взгляд явно видно влияние конструкции квадрокоптера - даже в случае многоэлементной антенной решетки для данного угла падения есть несимметричность диаграммы направленности вследствие присутствия по данному азимуту металлической штанги с электродвигателем. Для трехэлементной антенной решетки это влияние еще более ярко выражено вследствие большей разреженности решетки.
о
ф
о
ф
о
ф
о
ф
120 _ - " ~ / -' 60
150 / \ 30
гигТ Ут
—УУ^ЗОО
270
ф, °
Рис. 10. Диаграмма направленности для угла прихода волны 90° и частоты 1800 МГц
Правда сравнение с рис. 4 показывает на другой источник несимметрии - диаграммы похожи, особенно для трехэлементной решетки. В данном случае можно предположить что три боковых лепестка с одной стороны и два с другой возникают из-за нахождения сразу двух вибраторов с одной стороны вблизи направления распространения волны на одинаковом расстоянии от воображаемого центра системы (три лепестка) и одного несколько дальше от линии распространения проходящей через центр решетки.
90
120 "=
150/7 \ 30
2ю\ 7330
270
Ф, °
Рис. 11. Диаграмма направленности для угла прихода волны 120° и частоты 450 МГц Диаграммы направленности для угла прихода волны 120° на рис. 11-13 практически повторяют таковые на рис. 5-7 для трехэлементной антенной решетки вследствие ее некоторой обратной симметрии для углов прихода волны 60° и 120°. Возможно этим объясняется разница в уровне заднего лепестка для частоты 450 МГц, для угла 120° он несколько больше. Девятиэлементная антенная решетка так же является квазисимметричной для данных углов падения, но задние лепестки более выражены уже на двух
частотах 450 и 1800 МГц относительно угла прихода волны 60°. На частоте 900 МГц диаграммы направленности для двух анализируемых углов и конструкций решеток полностью совпадают.
90
Ф, °
Рис. 12. Диаграмма направленности для угла прихода волны 120° и частоты 900 МГц
90
150 / \ 30
"" 1 '¿^Л'-, \ 1
1 К^^Х
210 \ 240^"-—_____ ___-—'"'ЗОО /330
270
Ф, °
Рис. 13. Диаграмма направленности для угла прихода волны 120° и частоты 1800 МГц
Как уже можно предположить, основываясь на предыдущих рассуждениях диаграммы
направленности для угла прихода волны 150° (рис. 14-16) похожи на диаграммы для углов 30° и 90°. Наибольшее сходство отмечается для квазисимметричного угла в 30°. По сравнению с данным углом для анализируемого угла прихода электромагнитной волны 150° в случае девятиэлементной антенной решетки несколько больше «задний лепесток» на частоте 450 МГц, что может быть объяснено как раз таки квазисимметричностью решеток для двух углов.
so
ф, °
Рис. 14. Диаграмма направленности для угла прихода волны 150° и частоты 450 МГц
90
120 0 60 %—
150 f \ 30
21о\ /330
270
ф, °
Рис. 15. Диаграмма направленности для угла прихода волны 150° и частоты 900 МГц
По некоторому сдвигу диаграмм направленности для трехэлементной решетки относительно истинного угла прихода электромагнитной волны можно сказать, что без коррекции и/или выяснения причин этого сдвига более точной является девятиэлементная решетка, без учета наличия больших боковых и задних лепестков трехэлементной решетки в некоторых случаях.
50
150 \ 30
21о\ У/ 330
___ ___-—■''300
270
Ф, °
Рис. 16. Диаграмма направленности для угла прихода волны 150° и частоты 1800 МГц
Крайне желательным является анализ уединенной решетки, без носителя для выявления влияния носителя на пеленгационные характеристики. Проведенный в данном случае сравнительный анализ двух антенных решеток не выявил какого либо существенного влияния конструкции носителя.
Для углов прихода электромагнитной волны 0° и 180° не приведены диаграммы направленности, так как они не содержат интересной информации вследствие полной квазисимметричности не только антенных решеток, но и самого носителя для данного случая.
Подводя итог можно сказать, что теоретически даже простейшая трехэлементная конструкция пеленгационной антенной решетки вполне имеет право на жизнь в данном диапазоне частот, по крайней мере для азимутальных углов прихода волны и остается только уточнить радиус решетки и проверить полученные результаты на практике.
Литература
1. Monzingo, R.A. Introduction to Adaptive Arrays [Text] / R.A. Monzingo, T.W. Miller. - New York: SciTech Publishing. - 2004. - 530 p.
2. Skolnik, M.I. Radar handbook [Text] / M.I. Skolnik // The McGraw-Hill Companies. - 2008. - Issue 3. - 1352 p.
3. Balanis, C.A. Modern antenna handbook [Text] / C.A. Balanis. - Canada: by John Wiley and Sons. - 2008. -1680 p.
4. Ашихмин, А.В. Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля [Текст]: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. / А.В. Ашихмин - Москва: МГТУ, 2006. - 32 с.
5. Разработка пеленгационной антенной решетки расположенной на борту беспилотного летательного аппарата [Текст] / И.С. Бобылкин, А.В. Муратов, Л.А. Носова, А.С. Самодуров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2015. -Т.11. - № 6. - С.133 - 135.
6. Численный анализ пеленгационных характеристик кольцевой вибраторной антенной решетки, установленной на борту вертолета [Текст] / А.В. Муратов, В.И. Николаев, Л.А. Носова, А.С. Самодуров // Теория и техника радиосвязи. - 2015. - №4. - С. 30-35.
7. Павлушенко, М. Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения и перспективы развития [Текст] / М. Павлушенко, Г. Евстафьев, И. Макаренко. - М.: Права человека, 2005. -611 с.
8. Weiland, T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields [Text] / Т. Weiland // Electronics and Communication. - 1977. - V. 31. -PP. 116-120.
9. Taflove, A. Computational electrodynamics: the finite-difference time-domain method [Text] / A. Taflove, S.C. Hagness. - Boston, London: Artech house. - 2000. - 866 p.
10. Пастернак, Ю.Г. Структура поля в области расположения кольцевой антенной решетки мобильного базирования [Текст] / Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Антенны. - 2007. - №1(116). - С. 30-34.
11. Пастернак, Ю.Г. Метод восстановления электромагнитного поля на плоскости вблизи трехмерного рассеивателя [Текст] / Ю.Г. Пастернак, Ю.А. Рембовский // Антенны. - 2007. - №7(122). - С. 43-48.
Воронежский государственный технический университет
THE ANALYSIS OF RADIATION PATTERN OF CIRCULAR ANTENNA ARRAY TAKING INTO ACCOUNT QUANTITY OF ELEMENTS AND INFLUENCE OF THE CARRIER
L.A. Nosova, student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: liy1994@mail.ru
Yu.G. Pasternak, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of department of electronic devices and systems, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: pasternakug@mail. ru
A.S. Samodurov, Candidate of Technical Sciences, Associate professor, Assistant professor of department of design and manufacture of radio, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, email: unaxel2000@mail.ru
For different purposes can be used arrays built for a variety of geometric principles and composed of different elements. In this paper we analyzed the radiation pattern direction-finding antenna array consisting of three and nine vertical half-wave dipoles. The radiation patterns are the reciprocal correlation functions of ideal and real bearings. Formulas for calculation of these functions are given. The antenna array is located on board the unmanned aerial vehicle (quadrocopter). It determines the influence of the media on the grid characteristics, in particular in the radiation pattern. The numerical simulations show a strong dependence of the shape of the number of array elements and a particularly strong influence of the carrier apparatus at high frequency operating range at specific angles of arrival of the electromagnetic wave. For a three-element array identify large levels of rear and side lobes on all analyzed frequencies other than the lowest 450 MHz. Impact carrier is most noticeable at the highest frequency of 1800 MHz with an angle of arrival of a wave of 90 °
Key words: radiation pattern, antenna array, quadrocopter
References
1. Monzingo R.A., Miller T.W. Introduction to Adaptive Arrays. - New York: SciTech Publishing. - 2004. -530 p.
2. Skolnik M.I. Radar handbook // The McGraw-Hill Companies. - 2008. - Issue 3. - 1352 p.
3. Balanis C.A. Modern antenna handbook. - Canada: by John Wiley and Sons. - 2008. - 1680 p.
4. Ashihmin A.V. Issledovanie i razrabotka sverhshirokopolosnyh antenn kompleksov radiokontrolja [Research and development of superbroadband antennas of complexes of radio control]: avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk. - Moskva: MGTU, 2006. - 32 s.
5. Bobylkin I.S., Muratov A.V., Nosova L.A., Samodurov A.S. Razrabotka pelengacionnoj antennoj reshetki raspolozhennoj na bortu bespilotnogo letatel'nogo apparata [Development of the direction finding antenna array located onboard the unmanned aerial vehicle] // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2015. - T.11. - № 6. - S.133 - 135.
6. Muratov A.V., Nikolaev V.I., Nosova L.A., Samodurov A.S. Chislennyj analiz pelengacionnyh harakteristik kol'cevoj vibratornoj antennoj reshetki, ustanovlennoj na bortu vertoleta [The numerical analysis of the direction finding characteristics of the ring dipole antenna array established onboard the helicopter] // Teorija i tehnika radiosvjazi. - 2015. - №4. - S. 30-35.
7. Pavlushenko M., Evstafev G., Makarenko I. Bespilotnye letatel'nye apparaty: istorija, primenenie, ugroza rasprostranenija i perspektivy razvitija [Unmanned aerial vehicles: history, application, threat of distribution and prospect of development].— M.: Prava cheloveka, 2005.— 611 s.
8. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields [Текст] // Electronics and Communication. - 1977. - V. 31. - PP. 116-120.
9. Taflove A., Hagness S.C. Computational electrodynamics: the finite-difference time-domain method.-Boston, London: Artech house. - 2000. - 866 p.
10. Pasternak Yu.G., Rembovskij Yu.A. Struktura polja v oblasti raspolozhenija kol'cevoj antennoj reshetki mobil'nogo bazirovanija [Structure of the field in the field of an arrangement of mobile basing ring antenna array] // Antenny. - 2007. - №1(116). - S. 30-34.
11. Pasternak Yu.G., Rembovskij Yu.A. Metod vosstanovlenija jelektromagnitnogo polja na ploskosti vblizi trehmernogo rasseivatelja [Method of restoration of the electromagnetic field on the plane near the three-dimensional difuser] // Antenny. - 2007. - №7(122). - S. 43-48.
