CC BY
11-75 -60 -45 -30 -15 о 15 30 45 60 75
-75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75
в) г)
Рис. 2. Диаграмма направленности одиночной щелевой антенны при трех положениях приемной антенны относительно облучателя:
- - расстояние между антеннами I = 390 мм;---------I = 395 мм; ------- - I = 440 мм,
.......- аппроксимация полиномом п-й степени;
а - на частоте 15 ГГц с открытыми торцами; б - на частоте 18 ГГц с открытыми торцами; в - на частоте 18 ГГц с металлизированными торцами; г - на частоте 18 ГГц с торцами, покрытыми
поглощающим материалом Отдельная щелевая антенна представляет собой одиночную щель, прорезанную в металлизации одностороннего фольгированного диэлектрика. Экспериментально исследовались антенны на подложке из стеклотекстолита FR-4 толщиной 1,5 мм размером 115*85 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 8 = 5. Длина щели Ь = 8 мм, ширина щели Ж=0,5 мм. Антенна облучалась линейно поляризованным излучением открытого конца прямоугольного волновода [2]. Для эксперимента использовалась установка для антенных измерений с квазибез-эховой зоной в месте расположения исследуемой антенны [3]. Съем сигнала осуществлялся коаксиальным кабелем, проводники которого присоединялись по разные стороны щели. Результаты измерений диаграммы направленности приведены на рис. 2.
Из рис. 2 а, б видно, что коэффициент кросс-поляризации в пределах угла Д9 = ±10о составляет 24 дБ. Данные результаты получены, когда торцы подложки открыты. Аналогичные зависимости для случаев, с торцами подложки, металлизироваными и покрытыми поглощающим материалом, приведены на рис. 2 в, г. Как видно из приведенных зависимостей, применение поглощающего материала позволяет несколько снизить коэффициент кросс-поляризации за счет подавления поверхностной волны в подложке.
Рис. 3. Исследуемая щелевая антенная решётка:
а - эскиз макета ЩАР; б - взаимное расположение передающей и приемной (исследуемой) антенн; в - диаграммы направленности ЩАР в Н- и ^-плоскостях
Уровень сигнала космического излучения терагерцового диапазона, принимаемого приемным устройством, очень мал, поэтому для повышения чувствительности складываются отклики отдельных элементов, объединенных в антенные массивы - щелевые антенные ре-
шетки (ЩАР). В связи с этим необходимо исследовать влияние массива элементов ЩАР на поляризационные характеристики отдельного ее элемента. Экспериментальное исследование проводилось на макете антенного массива, состоящего из 49 элементов (щелей), приведенного на рис. 4, а. Взаимное расположение приемной и передающей антенн задавалось таким образом (рис. 4, б), чтобы в пределах поверхности приемной антенны фронт падающего излучения можно было считать плоским.
В случае ЩАР, состоящих из близкорасположенных щелей, имеет место эффект взаимного влияния излучателей друг на друга. При наличии подложки данное влияние существенно возрастает.
Одним из способов количественной оценки этого эффекта является определение коэффициента передачи между элементами, расположенными в разных участках массива:
р пр
К = 101ё ]к
-ризл mn
К дБ К, дБ
-20
-20 -30 -40 -50 -60 -70
3
\-1 /Л
\
-30 -40 -50 -60 -70
—
Z
-———^
15 15,5 16 16,5 17 17,5 /, ГГц 15 15,5 16 16,5 17 17,5 /, ГГц
где РтП - мощность излучения, идущего от элемента массива с индексами (т,п); РДр - мощность излучения, принятого элементом с индексами (¡,Щ. Результаты измерений данного коэффициента приведены на рис. 4, а.
а) б)
Рис. 4. Исследование взаимной связи между элементами массива: 1 - между (1,1) и (1,7); 2 - между (1,1) и (7,7); 3 - между (1,1) и (7,1); а - экспериментальные данные; б - результаты численного моделирования
Теоретический анализ решеток конечных размеров является сложной электродинамической задачей, поэтому для расчета аналогичных характеристик использовался САПР Ашой HFSS. Путём моделирования в данном пакете были получены частотные зависимости коэффициентов передачи между щелями, представленные на рис. 4, б. Результаты численного моделирования и эксперимента хорошо согласуются.
гвх, Ом ЕСВН
15 16 17 18 19 /,1Тц 15 16 17 18 19 /, ГТц
а) б)
Рис. 5. Волновые характеристики центрального элемента ЩАР:
а - входное сопротивление; б - коэффициент стоячей волны напряжения Также с использованием программы HFSS была рассчитана частотная зависимость входного сопротивления и КСВН центрального элемента антенной решетки. Полученные зависимости представлены на рис. 5. Видно, что данный элемент обладает хорошим согласованием в достаточно широком диапазоне частот.
Другим способом оценки влияния конечности размеров массива на приемные характеристики отдельных его элементов, а также взаимного влияния элементов друг на друга является определение диаграмм направленности (ДН) и уровня кросс-поляризации элементов, расположенных в разных местах массива.
Было проведено несколько серий измерений ДН и уровня подавления излучения паразитной поляризации. При этом сигнал снимался только с одной щели, в то время как все остальные щели нагружались на согласованные нагрузки. Для оценки влияния поверхностных волн подложки (разница в диэлектрических проницаемостях окружающего пространства и диэлектрика существенна) на ее торцах реализовывались различные граничные условия:
• торцы металлизировались, при этом в подложке возникала стоячая волна, экспериментально это проявлялось в увеличении уровня излучения в параллельном плоскости расположения массива направлении, искажении ДН центральных элементов массива и ухудшении подавления волн с ортогональной поляризацией;
• торцы подложки оставались открытыми (нагруженными на окружающее пространство);
• торцы покрывались радиопоглощающим материалом, при этом в подложке осуществлялся режим бегущей волны (рис. 6). Создание режима бегущей волны вдоль подложки позволило усреднить влияние подложечных волн на характеристики элементов массива. При этом в среднем достигается наилучшая развязка по поляризации.
Рис. 6. Диаграммы направленности диагональных элементов массива для волн основной и паразитной поляризаций
Наилучшим подавлением волны паразитной поляризации обладают элементы, расположенные в центре массива и близкие к ним. Для них значения развязки по поляризации сопоставимы с показателями для одиночной щели. Эти элементы обладают также симметричной ДН.
Краевые элементы массива имеют меньшие значения коэффициента кросс-поляризации и несимметричную ДН, что может быть объяснено несимметричным окружением элементов и неполным поглощением энергии бегущих подложечных мод поглотителем. Нежелательное излучение в направлении, параллельном плоскости расположения массива, минимально.
Таким образом, объединение щелевых антенн в массив позволяет повысить чувствительность антенной системы при сохранении достаточно высоких поляризационных свойств в широком диапазоне рабочих частот. Однако для получения требуемых характеристик необходимо:
• свести к минимуму влияние подложечных волн обеспечением определенных условий на торцах подложки и выбором оптимальной её толщины и диэлектрической проницаемости;
• использовать для получения полезного сигнала лишь центральную область ЩАР, нагружая периферийные элементы на эквиваленты нагрузок.
Выводы
В статье представлены результаты экспериментального исследования и численного моделирования массива щелевых антенн в СВЧ диапазоне. Результаты расчета основных характеристик массива щелевых антенн хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Библиографический список
1. Kuzmin, L. A Parallel/Series Array of Cold-Electron Bolometers with SIN Tunnel Junctions for Cosmology Experiments/ L. Kuzmin // IEEE/CSC & EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, 2008. №. 3. Р. 1-9.
2. Белов, Ю.И. Экспериментальное исследование излучающих свойств открытого конца волновода прямоугольного сечения вблизи проводящих объектов / Ю.И. Белов, Е.Л. Варенцов, И.А. Илларионов // Антенны. 2009. Вып. 12(151). С. 18-27.
3. Исследование электромагнитной обстановки в лаборатории микроволновой электродинамики НГТУ / В.В. Бирюков [и др.] // Труды НГТУ. 2012. № 3. С. 126-136.
Дата поступления в редакцию 15.07.2013
V. Biryukov, V. Grachev, G. Malyshev, A. Raevskii, V. Sherbakov
EXPERIMENTAL STUDY OF FINITE PLANAR SLOT ANTENNA ARRAYS
Nizhniy Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev
The study considered finite planar slot antenna arrays (SAA) of finite size as a receiver of extremely weak radiation. It is possible, for example, to register cosmic background radiation.
The study presented examples of measurements results: radiation patterns and cross- polarization factors of different SAA elements, coefficient of mutual communication between different SAA elements.
Moreover, the study presented results of SAA numerical simulation and comparison between the measurement and numerical simulation results.
The study offered recommendations for the creation of SAA with the desired characteristics, for example, it is necessary to provide determinant boundary conditions at the ends of the SAA substrate.
Key words: slot antenna, slot antennas array, radiation pattern, polarization, cross- polarization factor.
НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ
УДК 629.113
В.В. Беляков1, А.М. Беляев5, М.Е. Бушуева1, У.Ш. Вахидов1,
11 2 1 К.О. Гончаров , Д.В. Зезюлин , В.Е. Колотилин , К.Я. Лелиовский ,
В.С. Макаров1, А.В. Папунин4, А.В. Тумасов2, А.В. Федоренко1
КОНЦЕПЦИЯ ПОДВИЖНОСТИ НАЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Нижегородский государственный технический университет им Р.Е. Алексеева1, Малое инновационное предприятие НГТУ ООО «ИнТех»2, Малое инновационное предприятие НГТУ ООО НПФ «ДСТ» , ООО «Управляющая компания «группа ГАЗ»4, ООО «Автол»5
Данная статья позиционируется как концептуальная парадигма, обусловливающая понятие подвижности мобильных наземных транспортных машин и транспортно-технологических комплексов. Подвижность в контексте данной статьи определяет обобщенную характеристику конструкционных и эксплуатационных свойств наземных мобильных систем и комплексов. В совокупности с экономическими, эргономическими и экологическими показателями качества этих машин подвижность характеризует конкурентоспособность объектов как товара.
В работе подвижность рассматривается как совокупность группы задач: поддержания курсовой ориентации, скорости движения, живучести и устранения критических ситуаций (буксования и блокировки движителя, устойчивости по опрокидыванию и проходимости машины в целом).
Ключевые слова: подвижность, мобильность, живучесть, динамическая адаптивность, условия эксплуатации, проходимость.
Введение
Для эффективного проектирования, эксплуатации и маркетинга мобильных наземных транспортных машин и транспортно-технологических комплексов необходима возможность точной оценки их качества как характеристики конструкционных технико-технологических параметров, функционально-оперативных эксплуатационно-потребительских свойств, т.е. возможность определения подвижности, как обобщающей характеристики данных объектов, и в более широком смысле - оценки конкурентоспособности этих машин.
Историческая справка рассматриваемого вопроса
Вопросы, связанные с подвижностью мобильных наземных транспортных машин и транспортно-технологических комплексов, изначально рассматривались исключительно применительно к военной технике: танкам, бронетранспортерам, боевым машинам пехоты и десанта, самоходным артиллерийским установкам и мобильным инженерным машинам. В отечественной военной доктрине подвижность мобильной военной техники объединяет ряд важнейших ее показателей: быстроходность, маневренность, проходимость, плавучесть и за-
© Беляков В.В., Беляев А.М., Бушуева М.Е., Вахидов У.Ш., Гончаров К.О., Зезюлин Д.В., Колотилин В.Е., Лелиовский К.Я., Макаров В.С., Папунин А.В., Тумасов А.В., Федоренко А.В., 2013.
