CC BY
117
УДК 621.396.67
В. С. Полежаев, В. И. Милкин
ИЗОТРОПНАЯ КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ В ЭКСКЛЮЗИВНЫХ ИСПОЛНЕНИЯХ
Аннотация
В работе исследуются современные версии антенн круговой поляризации с всенаправленной диаграммой направленности, их модификации, улучшающие электрические и конструкционные параметры, тенденции и направления развития антенн такого класса, как приложения оговариваются условия возникновения круговой поляризации, и некоторые направленные антенны круговой поляризации.
Ключевые слова
круговая поляризация, антенна этажерочный клевер, антенна пагода.
V. S. Polezhayev, V. I. Milkin
ISOTROPIC CIRCULAR POLARIZATION IN EXCLUSIVE DESIGNS Abstract
The work describes modern designs of circularly polarized antennas with an omnidirectional directivity pattern, their modifications, improving electrical and design parameters, trends and directions of development of antennas of this class, such as applications specifying the conditions for the appearance of circular polarization, and some directional circular polarization antennas.
Keywords:
circular polarization, flooring cloverleaf antenna, pagoda antenna. Введение
Развитие техники, повлекшее за собой минитюаризацию элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, позволило создавать и развивать радиоэлектронные средства связи на малогабаритных подвижных аппаратах и устройствах. Вместе с развитием повысились и требования к приемопередающему оборудованию, в том числе и к антеннам, как на самих аппаратах, так и на станциях их управления. Высокая степень подвижности, увеличение дестабилизирующих факторов и условие постоянной связи с аппаратом из соображений безопасности не позволяют использовать простейшие линейно-поляризованные излучатели, которые не способны обеспечивать надежную связь в вышеперечисленных условиях. Альтернативой с сохранением свойств всенаправленного излучения в одной плоскости, улучшенными характеристиками помехоустойчивости и нетребовательностью к ориентации плоскости поляризации являются излучатели с круговой поляризацией.
Явление круговой поляризации
Механизм появления круговой (или циркулярной) поляризации электромагнитных волн давно описан в учебниках по электродинамике и распространению радиоволн. В литературе [1, 2] общий случай нелинейной поляризации описывается с помощью двух перпендикулярных вибраторов, соединённых серединой и излучающих линейно-поляризованные волны, имеющих разные фазы. При этом вектор поляризации результирующего поля начинает вращаться по эллиптической траектории с частотой колебаний.
Круговая поляризация является частным случаем (рис. 1), когда разность фаз между излучателями равняется 90°. Мгновенное значение модуля вектора напряженности в точке можно определить следующим выражением, записанным в символической форме:
Е( г, Г) = (ехЕх + еуЕу (1.1)
Графическая интерпретация:
Рис. 1. Интерпретация механизма круговой поляризации
Если взять действительную часть и разложить вектор вращения на горизонтальную и вертикальную составляющие, то получим следующие соотношения:
Ех (г, /) = Е0 соъ(кг - ), Е (г, /) = Е0 + $,т(кг - *), (1.2)
В зависимости от знака во втором выражении (1.2) вектор поляризации может иметь левое или правое вращение.
Излучатели круговой поляризации
Востребованность антенн круговой поляризации появилась с выходом в космос первых искусственных спутников Земли (ИСЗ), причиной тому стало непредсказуемое изменение вектора поляризации при прохождении волны через слои ионосферы (эффект Фарадея) и неопределенностью положения антенн космического аппарата в свободном пространстве. Еще до запуска первого ИСЗ
была изобретена спиральная антенна, отвечающая требуемым условиям. Диаграмма направленности ее имела направленный характер, а условие вращение вектора поляризации осуществлялось правильным выполнением условий намотки витков [3].
Также на практике для приема спутниковых сигналов используются антенна типа «волновой канал» с круговой поляризацией и квадрифилярная антенна.
Кроме преимущества гарантированного приёма электромагнитных волн с различной ориентацией вектора поляризации, круговая поляризация способствует уменьшению межлучевой интерференции благодаря тому, что в момент отражения вектор поляризации луча меняет свое направление вращения на противоположное. Даже при условии наведения отраженного луча на антенну, он слабо, вплоть до ничтожно малого уровня, повлияет на прием сигнала, благодаря тому, что для приема направление вектора вращения поляризации должно совпадать с соответствующей характеристикой антенны. Из последнего следует, что при эксплуатации беспроводных линий связи с излучателями круговой поляризации необходимо согласовывать последние по вращению вектора поляризации, т.е. они должны быть идентичными.
Современные тенденции к развитию
Дальнейшее развитие техники, повлекшее за собой уменьшение элементной базы радиоэлектронной аппаратуры, позволило создавать и развивать радиоэлектронные средства связи на малогабаритных подвижных аппаратах и устройствах, к примеру, беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Одной из сложностей при создании таких средств связи было и есть обеспечение их антенным оборудованием, которое отвечало бы обеспечению необходимого уровня качества приёма сигнала, необходимую диаграмму направленности и требуемые массогабаритные параметры антенны.
По причинам высокой степени подвижности летательного аппарата, дестабилизирующих факторов полёта, а также необходимости постоянной связи с БПЛА по соображениям безопасности, идеальным вариантом излучателя для БПЛА является изотропная антенна с круговой поляризацией, но по физическим соображениям невозможности создание идеального изотропного вибратора, достаточным условием будет антенна с всенаправленной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, аналогичной диполю.
—
Рис. 2. Спиральная антенна
Возможным вариантом организации радиоканала между БПЛА и оператором может быть оснащение БПЛА антенной круговой поляризации, а блок управления оператор антенной с линейной поляризацией, тогда затухание сигнала в приемном тракте и блока управления и БПЛА будет составлять 3 дБ с возможной межлучевой интерференцией в условиях сложной электромагнитной обстановки (лес, здания и др.). При оснащении БПЛА и блока управления антеннами круговой поляризации практически исключается межлучевая интерференция, а единственным условием качественной работы является согласование антенн по направлению вращения вектора поляризации.
На момент второй половины 2017 г. на рынке антенн, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, самыми популярными для оснащения малогабаритных БПЛА являются антенны «клевер» и «пагода».
Антенна «клевер»
Конструкционно антенна «клевер» представляет собой три или четыре соединённых друг с другом «лепестка», где в месте их соединения подключается источник питания одним полюсом на наклонные прямые и другим на горизонтальные (рис. 3). Длина лучей равняется А/4, а дуги А/2, тем самым полная длина элементов лепестка равняется длине волны А. Расстояние от точки питания до каждой точки дуги равняется А/4.
\ \ Р/В: 0.00 с1В; Тыл: Азим. 120 гр. Элевация 50 гр
. \.\ : // Р: 300.000 МГц
\ .\ ■/.■/ Т.. 36.623-¡50.930 Ом
'.. ..' . .;.'/ КСВ: 3.2 (50.0 Ом),
^ У Е1еу гр : 0 0 гр. (Свободное пространство)
Рис. 3. Антенна «клевер» с четырьмя лепестками
Диаграмма направленности «клевера» — всенаправленная, практически совпадает с таковой у полуволнового диполя, но максимальный коэффициент усиления составляет 1,35 dBi, что меньше, чем у диполя, также слабая конструктивная надёжность, обоснованная плохой жесткостью каркаса реальной антенны являются существенными ее недостатками.
Были проведены исследования по компенсации вышеизложенных недостатков, так одним из способов повышения коэффициента усиления является применение коллинеарной структуры «клеверов» (рис. 4), где «клевера» разнесены друг от друга на расстояние А/2 для синфазного сложения двух волн, излучаемых от каждого элемента. Следствием использования такого приема является суженная вдоль вертикальной диаграмма направленности и, следовательно, увеличение коэффициента усиления. Компьютерная модель показала увеличение коэффициента усиления на 2,27 дБ, поэтому на основе нее был создан исследовательский макет этажерочного «клевера» и подана заявка на получение патента на изобретение.
Рис. 4. Компьютерная модель этажерочного «клевера»
Для повышения конструктивной надёжности «клевера» имеется возможность использовать гибридную конструкцию из фольгированного стеклотекстолита и медной проволоки. Это позволяет увеличить жесткость конструкции при минимальном изменении электрических параметров антенны. В качестве проверки данного решения были созданы компьютерная модель (рис. 5) квазишунтовой модификации клевера с улучшенными параметрами сопротивления и ее натурный исследовательский макет для частоты 2,4 ГГц для тестирования работоспособности антенны и первичного описания технологического процесса изготовления. Моделирование проводилось в программе Ашой 14.
Рис. 5. Модель квазишунтового «клевера»
Вышеуказанный принцип можно применить к антенне «этажерочный клевер». Возможным вариантом реализации может быть конструкция, состоящая из четырех перпендикулярно расположенных пластин фольгированного стеклотекстолита, медные дорожки которого образуют горизонтальные и наклонные проводники антенны. На рис. 6. приведена конструкция «разнонаправленного этажерочного клевера» смоделированного в программе 14.В отличие от проволочного варианта такая антенна имеет больший коэффициент усиления равный 3,78 дБ и более упрощенную технологию изготовления из-за «развернутых» друг от друга «клеверов».
Рис. 6. Вид компьютерной модели «разнонапрваленного этажерочного клевера»
Вращение вектора поляризации в антенне «клевер» реализуется посредством сложения векторов исходящих из точки питания направленные вдоль вертикальной оси и векторов исходящих из дуги, главным образом, на переходе дуги в прямую, которые направлены вдоль остальных осей. Это обеспечивает ортогональность векторов поляризации. Разность фаз, равную 90°, обеспечивает расстояние дуги от центра точки питания равное У4. Остальные векторы напряженности, показанные на рис. 7 формируют изотропную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности.
Рис. 7. Изображение векторов напряженности антенны квазишунтовой «клевер»
Для этажерочного «клевера» принцип формирования поля с круговой поляризацией аналогичен одиночному клвеверу.
Антенна «пагода»
В сентябре 2016 г. в представлена к обозрению страница [4] аспиранта Лёвенского католического университета Мартена Берта (нидерл. Барта), который под своим авторством представляет изотропную антенну круговой поляризации, называемой им «пагода».
На своей странице он ставит «пагоду» против антенны «клевер», сравнивая их характеристики. Несмотря на очень схожие параметры диаграммы направленности и коэффициента усиления, «пагода» явно выигрывает у «клевера» по конструктивной надежности и несущественно по габаритам. Но, как и у любого технического решения, у такой антенны есть ряд недостатков: узкая полоса пропускания и серьезные требования к соблюдению спецификаций конструкции, что определяет направления для дальнейшей модификации конструкции.
Интерес в данной антенне представляет также реализация всенаправленной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и круговой поляризации. При, казалось бы, очевидных сходствах конструкций «пагоды» и клевера: секторное расположение проводников и расстояние от центра до дуг, равное А/4, пагода имеет разрыв в дугах и неочевидное фазирование векторов напряженности для обеспечения круговой поляризации.
Заключение
Рост актуальности и сфер применения изотропных антенн круговой поляризации будет только увеличиваться по мере развития техники в сфере не только беспилотных летательных аппаратов, но и спутниковых систем связи. Требования к уменьшению габаритов и отказа к фиксированной привязке положений объектов в пространстве исключают использование на них линейно-поляризованных излучателей. И вопреки правовым ограничениям сфер связи, где антенны круговой поляризации критически необходимы, возникнут новые направления техники, где они станут востребованы для полного раскрытия потенциала технических решений и соблюдения необходимых требований.
Рис. 8. Модель антенны «пагода»
В данной работе исследованы реализации антенн с вращающимся вектором поляризации и направления их развития, а также представлены эксклюзивные авторские версии антенн круговой поляризации.
Литература
1. Джексон Дж. Классическая электродинамика / пер. с англ. Г. В. Воскресенского и Л. С. Соловьева; под ред. Э. Л. Бурштейна. М.: Мир, 1965. 228 с.
2. Петров Б. М. Электродинамика и распространение радиоволн: учебник для вузов. 2-е изд., испр. М.: Горячая линия-Телеком, 2007 С. 134-136.
3. Ротхаммель К. Антенны: пер. с нем. 3-е изд., доп. М.: Энергия, 1979. 254 с.
4. Pagoda antenna. URL: http://www.maartenbaert.be/quadcopters/antennas/pagoda (дата обращения: 02.10.2017).
Сведения об авторах
Полежаев Владислав Сергеевич
студент V курса, специальность «Радиоэлектронные системы и комплексы»,
МГТУ, Мурманск
E-mail: polezhaev.2014@yandex.ru
Милкин Владимир Иванович
доцент кафедры РиРТКС, Морской институт, МГТУ, Мурманск E-mail: MilkinVI@mstu.edu.ru
