CC BY
49
2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 123
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629.735.015:681.3
АНТЕННА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
Д.Д. ГАБРИЭЛЬЯН, П.И. КОСТЕНКО, Ю.А. ЗВЕЗДИНА
В данной статье рассматриваются вариант построения и методы расчета характеристик излучения антенны для системы управления воздушным движением аэропортов. Приводятся результаты расчетов.
Наиболее серьезными проблемами при построении перспективных систем управления воздушным движением являются обеспечение высокой пропускной способности, зоны обслуживания и электромагнитной совместимости. Перспективное направление решения данных вопросов заключается в использовании антенных сооружений, представляющих собой цилиндрические конструкции. Для обеспечения электромагнитной совместимости на поверхности данных конструкций могут наноситься радиопоглощающие материалы и покрытия, позволяющие снизить уровень бокового и заднего излучения антенны [1, 2].
Для расчета характеристик таких антенн необходимо создание строгой электродинамической модели, учитывающей геометрические и электродинамические параметры задачи. Такие модели, в полной мере учитывающие все особенности конструкции, несмотря на имеющиеся работы, например, [1-4], отсутствуют.
Целью данной статьи является разработка предложений по построению антенн перспективных СУВД и методов расчета их характеристик излучения. В качестве излучающих элементов антенны будем рассматривать щелевые излучатели, ориентированные параллельно образующей цилиндра.
Антенна включает в себя: 1 - цилиндрическую несущую конструкцию, на поверхности которой с использованием частой металлической ленты (рис.1) реализуются импедансные граничные условия; 2 - продольный щелевой излучатель; 3 - мачту для установки антенны.
Рис. 1
При решении задачи сделаем следующие допущения:
- несущая конструкция может с достаточной для практических целей точностью аппроксимироваться бесконечным круговым цилиндром;
- слой радиопоглощающих материалов и покрытий может быть моделирован импеданс-ными граничными условиями;
- распределение поверхностного импеданса вдоль цилиндра является однородным;
- внешняя среда представляет собой однородное безграничное изотропное пространство;
- электромагнитное поле является стационарным с зависимостью от времени ехр(1ю 1), где ® - частота колебаний электромагнитного поля; 1 - время;
- поверхность излучающего раскрыва волновода является плоским.
С учетом сделанных выше допущений рассматриваемая в данной статье задача формулируется следующим образом. Пусть на поверхности кругового цилиндра радиуса а с тензором по-
(ЪЕ 0 ^
верхностного импеданса Ъ = (где ЪЕ, Ън - волновые сопротивления в классе Е - и Н
V 0 Ън
- волн соответственно) в узлах прямоугольной координатной сетки с шагом ё7 и ёф расположена решетка из 0 идентичных узких волноводных излучателей с размерами раскрыва Ь х с (Ь << с, Ь << 1) и ориентированных длинной стороной параллельно образующей цилиндра. Геометрия задачи показана на рис.2.
Рис. 2
Волноводные излучатели возбуждаются на основной моде волной Н10 (первый индекс определяет число полуволн в раскрыве излучателя вдоль образующей цилиндра, второй индекс -в поперечной плоскости). Полное поле в раскрыве излучателя является суперпозицией волны возбуждения Н10 и отраженных волн, среди которых в силу условия Ь<<с, Ь << 1 учитываются только волны Hm0 (т = 1,..., ¥ ).
Антенная решетка возбуждает электромагнитное поле, удовлетворяющее уравнениям Максвелла, в дальней зоне - условиям излучения, на поверхности цилиндра - импедансным граничным условиям
Г е7 = ъЕн ф,
I 7 Е <р . (1)
{Еф = -ЪнН ' ;
Требуется найти распределение напряженности магнитного поля Н в дальней зоне (диаграмму направленности антенной решетки).
Для решения поставленной задачи введем цилиндрическую систему координат 0рф7, ось 07 которой направлена вдоль оси цилиндра. Общее излучаемое поле, создаваемое АР в дальней
зоне, в наиболее общем случае может быть представлено суперпозицией 0 - и ф - компонент, выражения для которых имеют вид:
Q ¥
р*(0.ф) = ££п„,л»(0.ф). (2)
q=1m=1
где Б - комплексная амплитуда т-й гармоники магнитного поля в раскрыве q-го волноводного излучателя; fqm(0. ф) - С -я (С = 0. ф) компонента ДН т-й гармоники q-го волноводного излучателя; отсчет углов 0. ф показан на рис.2.
На основе теоремы эквивалентных поверхностных токов [5] * -я компонента ДН т-й гармоники q-го апертурного излучателя Г^т(0, ф) описывается соотношением:
Г,?т(0, ф) = / {I (0, ф;Г')И;т(?) + I ф (0,ф;?)Е*,(?) }<Ю . (3)
в котором Ит(г'), Ефт(г') - тангенциальные компоненты магнитного (2-компонента) и электрического (ф -компонента) полей т-й гармоники в раскрыве q-го волноводного излучателя с апертурой Эл ; ^ (0. ф;г'), Iфс (0. ф;г') - 2-я компонента магнитного и ф - компонента электрического токов. возбуждаемых на поверхности цилиндра в точке с радиус-вектором г' = {а. ф'^'} при падении плоской электромагнитной волны с направления. определяемого углами 0. ф. вектор напряженности электрического поля во фронте которой имеет С - компоненту.
С учетом граничных условий (1) и связи плотности поверхностных токов 1мС (0. ф; г') и IфС (0. ф; г') с тангенциальными компонентами магнитного поля выражения для данных токов имеет вид:
с (0. ф;?) = -2^ ф (0. ф,?) = - гиИ 2(0. ф,?).
I Гр0 (0. фд') = ZEІ ? (0. ф;?) = гЕи ф (0. ф;?). (4)
В данном соотношении И* (0. ф;г') - продольная компонента вектора напряженности магнитного поля. возбуждаемого в точке с радиус-вектором г' плоской электромагнитной волной. приходящей с направления. определяемого углами 0. ф. вектор напряженности электрического
поля во фронте которой имеет С -компоненту.
Выражение для диаграммы направленности при этом принимает форму:
^ (0. ф) = -1 и* (0. ф;г')( гиИг (?)+е ф (?))аэ. (5)
Эл
Представление компонент полного поля суммой соответствующих компонент падающего и рассеянного полей позволяет записать
Н*0ф (0. ф>; г') = Н0 Бт 0 ехр(-/£г соб 0) х Е соб[я(ф - ф')] ((ка) - КИ^ (2.0. а) Н^2) (ка)) (6)
Я=0
И*,010 (0. ф; г') = -E0W(-1 Бт 0 ехр(Чк2 соб 0) х
х Ееgg йпЬ(ф - ф')] | (2.0. а) И^2) (ка)
g (2 Н я) И ( кя )
g=0
где е
- числа Неймана; к = квт 0 ; к = 2р /1 - волновое число свободного
11 при g = 0 [2 при g > 1
пространства; 1 - длина волны; W0 = 120р Ом - волновое сопротивление свободного пространства; 1 - мнимая единица; И0 - амплитуда падающей волны; .1^(-) - функция Бесселя g-го
порядка; И02)(-) - функция Ганкеля 2-го рода g-го порядка; а коэффициенты дифракции
КЬф .КЬ 0 с использованием результатов работ [6-8] могут быть записаны в виде
(ка)
Щ(2,0, а) = , В х
Г
Н(р(ка)
бій 0 +і2
н«у
(ка)
ЕЫ
Н^ (ка)
- і2ш біп0
- і2
ЕЫ
2соб 0
я(ка)^оТй(ка)[Н(2)(ка)]2
ґ
Б =
Н2)'(ка)
бій 0 + І2
(2)
ем
Нё2) (ка)
Нё2) (ка)
Нё2) (ка)
■І2НК бій 0
І2
ем
(8)
(9)
(10)
(11)
где гЕМ = гЕ / W0 ; гИМ = гИ / W0 ; ( ). И0 ) () - соответственно производные функции Бес-
селя и Г анкеля 2-го рода 0-го порядка.
Для получивших наиболее широкое использование полуволновых щелей тангенциальные компоненты поля в раскрыве q-го волноводного излучателя описываются известными соотношениями [9]:
.я
ЩОО = Н0я 5т[-(г - гч)],
я
Е; (г') = -ikWoHoq 8Ій[-(7 - 7Ч)],
(12)
(13)
где Н^ - комплексная амплитуда поля возбуждения.
Полученные зависимости допускают аналитическое вычисление интегралов в (5). что обеспечивает построение простого вычислительного алгоритма характеристик направленности антенной системы. Окончательный вид простых. но громоздких выражений не приводится.
Выбор комплексных амплитуд возбуждения осуществляется из условия фазирование главного лепестка ДН в заданном направлении 00. ф0.
Рассмотрим выбор параметров антенны. формирующей в горизонтальной плоскости ДН с шириной по уровню половинной мощности 30°...35° при горизонтальной поляризации. При заданных параметрах ДН число излучателей вдоль и поперек образующей цилиндра равно соответственно двум и трем. Шаг размещения излучателей в составе раскрыва составляет 0.71 в вертикальной и горизонтальной плоскостях. В качестве несущей конструкции может использоваться цилиндр кругового сечения радиусом 11.
При проведении исследований характеристик излучения рассматривались значения поверхностного импеданса. величина которого изменялась от 0 до -11 . Результаты исследований представлены на рис.3. В табл. 1 приведены значения первого бокового и заднего лепестков ДН излучающего раскрыва.
Анализ полученных результатов показывает. что снижение уровня боковых лепестков наиболее эффективно при использовании емкостного импеданса. При этом уменьшение величины
2
2
поверхностного импеданса 21 ниже значения -0.71 не приводит к дальнейшему снижению уровня боковых лепестков. В то же время увеличение поверхностного импеданса емкостного типа приводит к расширению главного лепестка ДН и соответствующему снижению КНД.
На основе найденного поверхностного импеданса определим параметры гребенчатой структуры. используя выражение [3]:
Е/Е ( Ф)
ДБ
-20 -30 -40
0 30 60 90 120 Ф> град
Рис. 3
Таблица 1
Значение импеданса 21 Уровни лепестков. дБ Изменение квадрата интенсивности поля. %
первого заднего
0+01 -12.36 -21.45 100.0
-0.11 -12.40 -22.50 99.30
-0.21 -12.47 -23.43 98.00
-0.31 -12.55 -24.18 96.40
-0.41 -12.64 -24.78 94.50
-0.51 -12.73 -25.26 92.34
-0.61 -12.82 -25.61 90.20
-0.71 -12.90 -25.91 88.00
-0.81 -12.97 -26.16 85.90
-0.91 -13.10 -26.35 84.00
-11 -13.10 -26.50 82.20
Таблица 2
Отклонение от номинала. % Значение импеданса 21 Уровни лепестков. дБ
первого заднего
1 2 3 4
-5 -0.8951 -13.08 -27.99
-4 -0.8521 -13.11 -27.55
-3 -0.8111 -12.97 -27.13
-2 -0.7731 -12.94 -26.71
-1 -0.7351 -12.98 -26.30
0 -0.7001 -12.90 -25.91
1 -0.6661 -12.84 -25.52
2 -0.6331 -12.80 -25.16
3 -0.6011 -12.78 -24.81
4 -0.5711 -12.78 -24.51
5 -0.5411 -12.75 -24.16
21 =1Ь 10(кл/£^ ). (14)
где Ь - период следования канавок; а - ширина канавок; ё - глубина канавки; е - относительная диэлектрическая проницаемость магнитодиэлектрического материала. заполняющего канавки.
Для выбранного значения импеданса Ъх = -0.71 гребенчатая структура должна иметь следующие параметры Ь =0.081; а = 0.0671; ё = 0.38921. В качестве материала заполнения канавок выбран материал с тем же значением относительной диэлектрической проницаемости е . как и для материала заполнения щелевого излучателя.
Одним из важных вопросов является исследование параметров импедансных структур в частотном диапазоне. В табл. 2 приведены уровни первого бокового и задних лепестков при отклонении рабочей частоты от номинала на ± 5% .
Анализ полученных результатов показывает. что для рассматриваемых размеров несущей конструкции при отклонении рабочей частоты от номинала ± 5% практически не происходит изменения уровня первого бокового лепестка. а изменение уровня заднего излучения не превышает 0.5 дБ.
Выбор частой металлической ленты для создания импедансных граничных условий определяется тем. что такая конструкция позволяет помимо уменьшения уровня боковых лепестков ДН и улучшения поляризационной развязки между сигналами вертикальной и горизонтальной поляризации. значительно снизить ветровые нагрузки. действующие на антенну. по сравнению с существующими штатными антеннами. используемыми в каналах связи.
Результаты проведенных исследований показывают. что использование радиопоглощающих материалов и покрытий с соответствующим образом выбранными параметрами позволяет снизить уровень бокового и заднего излучения и тем самым улучшить электромагнитную совместимость антенн систем управления воздушным движением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Михайловский Л.К. Радиопоглощающие бестоковые среды. материалы и покрытия (электромагнитные свойства и практические рекомендации) // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2000. - №9. - С.21-30.
2. Лаговский Б.А., Мировицкий Д.И. Тонкие широкополосные радиопоглощающие покрытия // Антенны. -2002. - Вып.12 (67). - С. 62-67.
3. Васильев Е.Н. Возбуждение тел вращения. - М.: Радио и связь. 1987. - 272 с.
4. Галишникова Т.Н., Ильинский А.С. Численные методы в задачах дифракции. - М.: МГУ. 1987. - 208 с.
5. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Радио и связь. 2000. - 559 с.
6. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Костенко П.И. Возбуждение кругового цилиндра с анизотропным импедансом продольным электрическим диполем // Радиотехника и электроника. - 2001. - Т.46. № 8. - С. 875-879.
7. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Костенко П.И. Влияние импедансной поверхности кругового цилиндра на поле продольного диполя // Антенны. - 2001. - № 6 (52). - С.38-42.
8. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Костенко П.И. Использование импедансных структур для улучшения электромагнитной совместимости / Сб. докладов IV Междунар. симпозиума «ЭМВ-2001». 19-22 июня 2001. Санкт-Петербург. Россия. - С.368-371.
9. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. - М.: Сов. Радио. 1971. - 664 с.
AIR TRAFFIC CINTROL SYSTEM ANTENNA
Gabriel'yan D.D., Kostenko P.I., Zvezdina Yu.A.
The construction version and calculation methods of antenna radiation characteristics for airport air traffic control system are considered in the paper. The calculation results are given.
Сведения об авторах
Габриэльян Дмитрий Давидович. 1957 г.р.. окончил РВВКИУ РВ (1981). доктор технических наук. профессор. начальник кафедры антенных устройств и радиотехнических систем связи Ростовского военного института ракетных войск. автор более 150 научных работ. область научных интересов - теория дифракции. численные методы прикладной электродинамики.
Костенко Петр Иванович, 1973 г.р.. окончил РВВКИУ РВ (1995). кандидат технических наук. доцент кафедры АЭРПО Ростовского филиала МГТУ ГА. автор 36 научных работ. область научных интересов - численные методы прикладной электродинамики.
Звездина Юлия Александровна. окончила РГУ (2004). старший лаборант кафедры антенных устройств и радиотехнических систем связи Ростовского военного института ракетных войск. автор 15 научных работ. область научных интересов - моделирование рассеяния электромагнитных волн. цифровая обработка сигналов.
