CC BY
10
Радиотехника и связь
DOI 10.36622^Ти.2021.15.5.003 УДК 621.396
ФОРМИРОВАНИЕ СКАНИРУЮЩЕЙ АНТЕННЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУВОЛНОВОГО ДИПОЛЯ
С.М. Фёдоров1'2, Е.А. Ищенко1, И.А. Баранников1, К.А. Бердников1, В.В. Кузнецова1
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается полуволновый диполь с установленным рефлектором, который позволяет производить сканирование пространства с использованием вращения рефлектора вокруг диполя. Для полученной конструкции производилось моделирование основных параметров, которые показали высокую стабильность при различных положениях рефлектора, постоянное значение коэффициента направленного действия, ширины главного лепестка. Изменение направления излучения совпадает с текущим положением рефлектора. По сравнению с ситуацией, когда у антенны отсутствовал рефлектор, КНД антенны увеличился, так как произошла фокусировка электромагнитных волн. Коэффициент полезного действия и передне-заднее отношение сохраняют высокие значения во всем диапазоне рабочих частот. Применение предложенной конструкции позволяет упростить конструкцию сканирующих антенн, так как для ее реализации требуются лишь полуволновой диполь и плоский рефлектор, установленный на малом расстоянии от источника излучения. В процессе управления характеристиками требуется вращать рефлектор вокруг диполя, при этом диполь остается неподвижным, что позволяет повысить эффективность предложенной конструкции, так как не требуется формировать сложных антенных систем или устанавливать комбинацию из нескольких антенн для фокусировки излучения в одном направлении от источника
Ключевые слова: pефлектор, полуволновой диполь, сканирующая антенна
Введение
Дипольная антенна является самой простой по конструкции, однако ее диаграмма направленности является всенаправленной (представляет собой тороид) [1].
Особый интерес представляет возможность формирования сканирующей антенны на основе дипольной антенны, что позволяет снизить стоимость и сложность конструкции. Для формирования диаграммы направленности с определенным направлением применяются рефлекторы для антенн, пример такой конструкции рассмотрен в работе [2], однако данная антенна не имеет возможности выполнить сканирование пространства, так как помимо простого рефлектора имеет слой из ячеек метаматериала.
Другим примером использования полуволнового диполя в качестве сканирующего устройства выступает комбинация из рамочной антенны и диполя [3], которые совместно формируют диаграмму в форме кардиоиды.
Целью данной работы является разработка антенны на основе полуволнового диполя с
© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Баранников И.А., Бердников К.А., Кузнецова В.В., 2021
возможностью выполнения активного сканирования в горизонтальной плоскости.
Конструкция антенны
Полуволновая цилиндрическая антенна является простейшей конструкцией, которая формируется из двух отрезков медного провода (рис. 1).
П Т
и ±
Рис. 1. Модель полуволнового излучателя
Полученная антенна имеет диаметр провода ф) равный 500 мкм, а полная длина составляет 13,9 мм. Данные размеры соответствуют антенне, сформированной для частоты в 9 ГГц. Стандартная антенна без установленного рефлектора имеет диаграмму направленности в виде тороида с КНД 2,17 дБи, которая обеспечивает равномерное излучение в горизонталь-
ной плоскости, в вертикальной же диаграмма направленности представляет цифру «8».
При выполнении сканирования требуется сформировать направленный луч, что позволяет определить направление прихода электромагнитных волн или произвести излучение энергии в определённом направлении.
Для формирования направленной диаграммы направленности был установлен рефлектор около дипольной антенны, который формирует фокусировку электромагнитных волн благодаря возникающим отражениям от металлической пластины (рис. 2).
Рис. 2. Модель антенны с установленным рефлектором
Размеры рефлектора составляют 20 на 20 см, рефлектор удален от дипольной антенны на 7 мм. В процессе распространения радиоволн происходит фокусировка диаграммы направленности (рис. 3).
-£..(1=09.2000) [1] по Ы
— М^И.2000) [1] *лЦ| геЛесюг
( 90. 2.18329 ;• Щ, ( 90, 7.57ЭВ6 ;
ISO
Phi / Degree vs. rtBi
Рис. 3. Сравнение диаграмм направленности антенны (f=9,2 ГГц): no Ref - нет рефлектора; with reflector - с рефлектором
По полученным результатам КНД антенны увеличился с 2,19 дБи до 7,57 дБи, а также произошла фокусировка излучения.
Применение дипольной антенны с рефлектором для сканирования пространства
Полученная антенна способна изменять направление излучения путем выполнения вращения рефлектора вокруг излучателя (рис.
4).
Рефлектор
Рис. 4. Конструкция антенны с указанием направления вращения рефлектора и угла сканирования
Для полученной антенны производилось моделирование с изменением угла положения рефлектора в промежутке от 0 до 360 градусов с шагом 30 градусов. Для полученных ситуаций возвратные потери приводятся на рис. 5. Диапазон рабочих частот определяется по уровню Бп параметра -10 дБ (что соответствует уровню КСВН=2).
S-Parameteis [Magnitude]
-20-:-------г —-1
6 7 Б 9 10 11 12 13 К£ 9.430187,-10.00109)
Frequency / GHz S.533964, -9.9953S5 ]|
Рис. 5. Конструкция антенны с указанием направления вращения рефлектора и угла сканирования
Полученный рабочий диапазон составляет 0,94 ГГц; при этом параметры коэффициента отражений сохраняются стабильными при изменении угла расположения рефлектора.
Другим важным параметром является уровень КПД антенны при различных углах расположения рефлектора антенны (рис. 6).
Рис. 6. КПД антенны при различных углах расположения рефлектора
На рис. 7 приводится картина Е-поля на частоте 9,2 ГГц, по которой отчетливо видно, что направление излучения формируется за счет отражения поля от рефлектора и излучения в свободное пространство.
Рис. 7. Картина Е-поля для исследуемой антенны на частоте 9,2 ГГц
На основе полученных результатов были построены диаграммы направленности при различных углах сканирования антенны (рис. 8).
Рис. 8. Диаграммы направленности исследуемой антенны при различных положениях рефлектора
Как видно, антенна способна обеспечить полное сканирование в горизонтальной плоскости за счет вращения рефлектора вокруг диполя. Другим важным параметром выступает передне-заднее отношение в диаграмме направленности, который показывает, на сколько значение КНД в направлении главного излучения больше обратного (рис. 9).
■ГЛ «Й!
-^РгопНо-Ьаск га —РгопИо-Ьаск га -•^гопНо-Ьвск га —РгопКо-Ьаск га -^РгопИо-Ьаск га -•-Ргопно-Ьэск га -*-ргопКо-Ьаск га -•-РгопИо-Ьаск га -•-РгопКо-Ьаск га —РгопКо-Ьаск га -*-РютНо-Ьаск га —РгопКо-Васк га
8.7 в.в 8.9 9 9.1 9.2 9.3 Ргедиепсу / бНг
9.5 9.6
Рис. 9. ПЗО антенны
Как видно по полученным результатам, наблюдаются две отчетливые кривые, которые соответствуют ситуациям, когда рефлектор перпендикулярен диполю (углы: 0°, 90°, 180°, 270°) и имеет иные углы положения рефлектора.
Для удобства анализа полученных результатов воспользуемся табл. 1, в которой указаны характеристики диаграмм направленности в горизонтальной плоскости при различных положениях рефлектора.
Таблица 1
Характеристики диаграмм направленности _1=9,2 ГГц_
Положение рефлектора, КНД, дБи Направление излучения, ° Ширина главного лепестка, °
0 7,57 90 96
30 7,58 120 96
60 7,58 150 95,9
90 7,57 180 96
Продолжение табл. 1
120 7,58 210 95,9
150 7,58 240 95,9
180 7,57 270 96
210 7,58 300 95,9
240 7,58 330 95,9
270 7,57 0 96
300 7,58 30 95,9
330 7,58 60 96
Как видно по полученным результатам, характеристики диаграмм направленности являются максимально стабильными, что позволяет сделать вывод, что сканирование данной антенной возможно с сохранением основных характеристик диаграммы направленности.
Заключение
Разработанная конструкция антенны позволяет осуществить сканирование главным лучом антенны в горизонтальной плоскости путем перемещения рефлектора вокруг диполя. Для данной антенны можно разработать несколько модификаций рефлектора, так, воз-
можно использование структуры, которая сформирована из периодических ячеек, другой конструкцией может выступать система, которая сформирована на основе метаматериала, который был предложен в [4], что позволит осуществить управление характеристиками диаграммы направленности за счет выполнения коммутаций слоев метаматериала.
Литература
1. Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, Fourth Edition, Wiley: Canada, 2016. 1073 p.
2. Murakami Y., Hori T., Fujimoto M. Optimum area of arranged unit cell of artificial magnetic conductor reflector for dipole antenna // 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC). 2013. Pp. 594-596.
3. Володько А.В. Основы теории радиолокационных систем и комплексов: практикум и сборник задач. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. 160 с.
4. Исследование влияния интегрированного в конструкцию пирамидального рупора метаматериала на диаграмму направленности / Е.А. Ищенко, Ю.Г. Пастернак, М.А. Сиваш, С.М. Фёдоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 6. С. 107-113.
Поступила 02.07.2021; принята к публикации 21.10.2021 Информация об авторах
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: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Баранников Илья Андреевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Кузнецова Валерия Васильевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: [email protected]
FORMATION OF A SCANNING ANTENNA BASED ON A HALF-WAVE DIPOLE S.M. Fyedorov1,2, E.A. Ishchenko1, I.A. Barannikov1, K.A. Berdnikov1, V.V. Kuznetsova1
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a half-wave dipole with an installed reflector, which allows scanning space using the rotation of the reflector around the dipole. For the resulting structure, we simulated the main parameters, which showed high stability at various positions of the reflector, a constant value of the directivity factor, and the width of the main lobe. The change in the direction of radiation coincides with the current position of the reflector. Compared to the situation when the antenna did not have a reflector, the directivity of the antenna increased since the focusing of electromagnetic waves took place. The efficiency and the front-to-back ratio remain high throughout the entire operating frequency range. The use of the proposed design makes it possible to simplify the design of scanning antennas since the implementation of the proposed design requires only a half-wave dipole and a flat reflector installed at a short distance from the radiation source. In the process of controlling the characteristics, it is required to rotate the reflector around the dipole, while the dipole remains stationary, which makes it pos-
sible to increase the efficiency of the proposed design, since it is not required to form complex antenna systems or install a combination of several antennas to focus radiation in one direction from the source
Key words: Reflector, half-wave dipole, scanning antenna
References
1. Balanis C.A. "Antenna theory analysis and design", Canada: Wiley, 2016, 1073 p.
2. Murakami Y., Hori T., Fujimoto M. "Optimum area of arranged unit cell of artificial magnetic conductor reflector for dipole antenna", 2013 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC), 2013, pp. 594-596.
3. Volodko A.V. "Fundamentals of the theory of radar systems and complexes" ("Osnovy teorii radiolokatsionnykh sistem i kompleksov"), Voronezh State Technical University, 2018, 160 p.
4. Ishchenko E.A., Pasternak Yu.G., Sivash M.A., Fedorov S.M. "Investigation of the influence of the metamaterial pyramidal horn integrated into the construction on the directional diagram", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezh-skogo gosudarstvennogo technicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 5. pp 107-113.
Submitted 02.07.2021; revised 21.10.2021
Information about the authors
Sergey M. Fyedorov, 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: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
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: [email protected]
Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
Valeriya V. Kuznetsova, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: [email protected]
