CC BY
9
DOI 10.36622^Ти.2022.18.6.013 УДК 621.396
АНТЕННА С РЕКОНФИГУРИРУЕМЫМ УГОЛКОВЫМ ПЛАЗМЕННЫМ РЕФЛЕКТОРОМ
И.А. Баранников1, Е.А. Ищенко1, С.М. Фёдоров1,2, Б.А. Шиянов2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается антенна с реконфигурируемым рефлектором. Ее рабочие частоты расположены в диапазоне UHF от 637 до 648 МГц. В качестве излучателя используется плазменная вибраторная антенна. Рефлектор является уголковым с углом между стенками 60°. Стенки рефлектора выполнены из плазменных элементов, представляющих собой газоразрядные трубки, способные включаться и выключаться за очень малые промежутки времени. Во включенном состоянии они являются проводящей поверхностью и отражают электромагнитные волны, а в выключенном - свободно их пропускают. Это позволяет за счет включения и выключения определенных групп плазменных элементов менять положение рефлектора в пространстве. Конструкция рефлектора и ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости позволяет обеспечить равномерное излучение во всех направлениях по горизонту. Так как в качестве излучателя используется плазменная антенна, возможно применение скрытного режима с пониженной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР). Характеристики антенны определялись посредством электродинамического моделирования. Эффективность скрытного режима оценивалась сравнением ЭПР плазменной антенны и ее металлического аналога. Результаты показывают, что антенна обладает высокой эффективностью излучения и значительно меньшими значениями ЭПР в скрытном режиме
Ключевые слова: плазменная антенна, реконфигурируемый рефлектор
Введение
Плазменные элементы имеют два состояния: включенное и выключенное. В выключенном состоянии плазма не сформирована, и электромагнитные волны свободно проходят через емкость с газом. При включении формируется плазма, которая является проводящей поверхностью. Тогда электромагнитные волны будут поглощаться или отражаться, в зависимости от плазменной частоты [1]:
IAnne2
(1)
где п - концентрация свободных электронов или мера ионизации плазмы, е - заряд электрона, те - масса электрона.
Воспользовавшись способностью плазменных элементов включаться и выключаться, возможно создать реконфигурируемый рефлектор, отражающая поверхность которого может менять свое положение в пространстве посредством включения и выключения групп плазменных элементов.
© Баранников И.А., Ищенко Е.А., Фёдоров С.М., Шиянов Б.А., 2022
В работе [2] авторы описывают исследование конструкции антенны с реконфигуриру-емым плазменным уголковым рефлектором. Они провели сравнение результатов электродинамического моделирования антенны с реальными измеренными характеристиками. Полученные результаты показывают, что результаты моделирования очень близки к реальным характеристикам антенны.
В работе [3] авторы провели исследование реконфигурируемого плазменного рефлектора в виде круга и производят сравнение его характеристик с аналогичными конструкциями из металла. Результаты данного исследования показывают, что характеристики конструкции на основе плазмы незначительно отличаются от характеристик конструкции из металла.
В исследовании [4] авторы изучали свойства плазмы и ее применение в качестве материала рефлектора. Они приводят математическое описание плазмы и описывают конструкцию плазменного элемента, использованного для построения рефлектора. Результаты моделирования характеристик антенны говорят о достаточной эффективности плазменного рефлектора.
В работе [5] авторы изучали возможность создания сканирующей антенны с плазменным рефлектором. Результаты исследования показали, что представленная конструкция рефлекто-
ра способна обеспечить несколько режимов с разной шириной сканирующего луча.
В работе [6] приводятся теоретические основы работы плазмы и рассматриваются различные конструкции плазменных антенн.
В данной статье производится моделирование антенны с реконфигурируемым плазменным рефлектором, а также различных его режимов. Определение эффективности снижения радиолокационной заметности проводилось посредством сравнения значений ЭПР конструкции в выключенном состоянии со значениями металлического аналога.
Конструкция антенны
Рефлектор состоит из цилиндрических плазменных элементов (газоразрядных трубок) диаметром 14 мм и высотой 433 мм. Они образуют собой массив плазменных элементов в виде двенадцатиконечной звезды. Шаг между элементами составляет 9.47 мм. В активном состоянии длина стенки рефлектора составляет 718.08 мм, а угол между стенками 60°. В качестве излучателя используется плазменная антенна. Она расположена в центре на высоте 140 мм. Плазменная частота элементов рефлектора для исследуемой модели (рис. 1) составляет 3.5 ГГц.
О0
о
со
ооооооооооооооооо
шт ЯП
оооооооооооооооск
иВ»
'■'О
оря
о о охшр ООО
; О 0:0 О О О О О С - О О О О
Моделирование характеристик рефлектора
Полоса рабочих частот определялась по уровню КПД 80% (рис. 2).
кпд
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
\
У
!
637 МГц ; 648 МГц
630 640 650 660
Частота / МГц
Рис. 2. График КПД антенны
Из графика видно, что диапазон рабочих частот располагается от 637 до 648 МГц. Ширина рабочего диапазона 11 МГц. Диаграммы направленности приведены для частоты максимума КПД 640 МГц (рис. 3).
Диаграмма направленности (ТЬе1а = 90) 0
330
Рис. 1. Модель исследуемого рефлектора - вид сверху
Рис. 3. Диаграмма направленности антенны: а) в горизонтальной плоскости; б) в вертикальной плоскости
Изменение положения рефлектора в пространстве осуществляется посредством включения и выключения определенных групп газоразрядных трубок. Целевым диапазоном работы данной конструкции является 640 МГц. Для проверки характеристик антенны производилось электродинамическое моделирование.
Диаграмма направленности (Phi = ISO) 0
ЭПР (дБнг)
ISO
Thêta / Degree vs. dBi 6)
Рис. 3. Диаграмма направленности антенны: а) в горизонтальной плоскости; б) в вертикальной плоскости (продолжение)
КНД антенны составляет 8.43 дБи, ширина главного лепестка по уровню 3 дБ равна 54.4° в горизонтальной плоскости. Переключение стенок рефлектора позволяет вращать диаграмму направленности с шагом 30° (рис. 4).
Диаграмма направленности (Thêta = 90) о
30 330
180
Phi / Degree vs. dBi
Рис. 4. Диаграммы направленности для всех возможных направлений излучения
Как видно из рис. 4, при вращении диаграмма направленности не претерпевает никаких изменений. Антенна может обеспечить равное излучение во всех направлениях в горизонтальной плоскости.
Определение значений ЭПР осуществлялось посредством моделирования облучения раскрыва рефлектора плоской электромагнитной волной. Результаты зависимости ЭПР от частоты представлены на рис. 5.
ЭПР металлического рефлектора -ЭПР плазменного рефлеетора (выкл.) -ЭПР г рефлектора (6КЛ.)
550 530 600 620 МО 660
Частота / МГц
а)
ЭПР (м2)
ЭПР металличес-
ного рефлектора (выкл.)
ЭПР плазменного рефлектора
(вкл.)
620 640 660 Частота / МГц
В)
Рис. 5. Сравнение ЭПР плазменного и металлического рефлекторов: а) ЭПР в дБм2; б) ЭПР в м2; в) разность ЭПР металлического рефлектора и плазменного рефлектора в скрытном режиме в дБм2
Из результатов видно, что плазменный рефлектор имеет значительно меньшие значения ЭПР, чем металлический.
Для удобства сравнения характеристик плазменного и металлического рефлектора представим их в таблице.
Сравнение характеристик плазменного рефлектора и его металлического аналога
Характеристика Плазменный рефлектор Металлический рефлектор
КНД тах ^ = 640 МГц), дБ 8.43 11.08
КПД ^ = 640 МГц), % 98% 96%
ЭПР ^ = 640 МГц), м2 2.45 (выкл.) 8.83
ЭПР ^ = 640 МГц), дБм2 3.89 (выкл.) 9.46
Заключение
Использование плазмы в качестве материала рефлектора позволяет осуществлять изменение направления излучения немеханическим путем. Плазменный рефлектор близок по своим параметрам к аналогичному металлическому, помимо этого обладает возможностью во время радиомолчания переходить в скрытный режим, что значительно снижает его значения ЭПР и, следовательно, радиолокационную заметность. Полученные результаты исследования показывают, что плазма является одним из перспективных материалов для устройств UHF диапазона.
Литература
1. Anderson T. Plasma Antennas. Artech House: USA, 2Q11. 2Q3 p.
2. Performance and Radiation Patterns of a Reconfigurable Plasma Corner-Reflector Antenna/ M.T. Jusoh, O. Lafond, F. Colombel and M. Himdi// in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2013. Vol. 12. pp. 1137-1140. DOI: 10.1109/LAWP.2013.2281221.
3. Reconfigurable antenna using plasma reflector/ Mohd Taufik Jusoha, Khairol Amali Ahmadb, Muhammad Faiz Md Dinc, and Fakroul Ridzuan Hashimd// AIP Conference Proceedings 1930, 020029 (2018). DOI: 10.1063/1.5022923
4. Russo P. and Cerri G. Analysis of a reconfigurable plasma antenna// 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). 2016. pp. 1-5. DOI: 10.1109/EuCAP.2016.7481509.
5. Scanning capability of reconfigurable plasma reflector antenna/ M.T. Jusoh, O. Lafond, F. Colombel and M. Himdi// 2013 European Microwave Conference. 2013. pp. 8083. DOI: 10.23919/EuMC.2013.6686595.
6. Mohd Taufik Jusoh Tajudin. Study and design of reconfigurable antennas using plasma medium// Electronics. Université Rennes 1. 2014. NNT: 2014REN1S019.
Поступила 28.10.2022; принята к публикации 13.12.2022 Информация об авторах
Баранников Илья Андреевич - инженер, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com
Ищенко Евгений Алексеевич - инженер, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Шиянов Борис Анатольевич - канд. техн. наук, профессор, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
ANTENNA WITH RECONFIGURABLE PLASMA CORNER REFLECTOR
I.A. Barannikov1, E.A. Ishchenko1, S.M. Fyedorov1,2, B.A. Shiyanov2
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article deals with the antenna with reconfigurable reflector. Its operating frequencies are in the UHF band and are located at frequencies from 637 to 648 MHz. A plasma vibrator antenna is used as the transmitter. The reflector is a corner-shape with an angle between the walls of 60°. The walls of the reflector are made of plasma elements, which are gasdischarge tubes capable of switching on and off at very short intervals. When on, they are a conductive surface and reflect electromagnetic waves, and when off, waves pass them freely. This allows, by turning certain groups of plasma elements on and off, to change the position of the reflector in space. The design of the reflector and the width of the radiation pattern in the horizontal plane allows for uniform radiation in all directions across the horizon. Also, since a plasma antenna is used as a transmitter, a covert mode with a reduced radar cross-section (RCS) is possible. The characteristics of the antenna were determined by electrodynamic simulation. The efficiency of the covert mode was evaluated by comparing the RCS of the plasma antenna and its metal counterpart. The results show that the antenna has a high radiation efficiency and significantly lower RCS values in the stealth mode.
Key words: plasma antenna, reconfigurable reflector.
References
1. Anderson T. "Plasma antennas", USA: Artech House, 2011, 203 p.
2. Jusoh M.T., Lafond O., Colombel F., Himdi M. "Performance and radiation patterns of a reconfigurable plasma corner-reflector antenna", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2013, vol. 12, pp. 1137-1140, doi: 10.1109/LAWP.2013.2281221.
3. Mohd Taufik Jusoha, Khairol Amali Ahmadb, Muhammad Faiz Md Dinc, Fakroul Ridzuan Hashimd "Reconfigurable antenna using plasma reflector", AIP Conference Proc. 1930, 2018, 020029, doi: 10.1063/1.5022923
4. Russo P., Cerri G. "Analysis of a reconfigurable plasma antenna", 2016 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2016, pp. 1-5, doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481509.
5. Jusoh M.T., Lafond O., Colombel F., Himdi M. "Scanning capability of reconfigurable plasma reflector antenna", 2013 European Microwave Conf., 2013, pp. 80-83, doi: 10.23919/EuMC.2013.6686595.
6. Mohd Taufik Jusoh Tajudin "Study and design of reconfigurable antennas using plasma medium", Electronics, Université Rennes 1, 2014. NNT: 2014REN1S019.
Submitted 28.10.2022; revised 13.12.2022
Information about the authors
Il'ya A. Barannikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid. org/0000-0001-9027-6163 Boris A. Shiyanov, Cand. Sc. (Technical), Professor, International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
