CC BY
20
Б01 10.25987/У8Ти.2019.15.1.009 УДК 621.396.67
КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИЗ ПЕТЛЕВЫХ ВИБРАТОРОВ ПИСТОЛЬКОРСА С РЕЗИСТИВНЫМИ НАГРУЗКАМИ В КОНТУРАХ ПРОТЕКАНИЯ ТОКОВ
А.В. Ашихмин1, Л.Н. Коротков2, Ю.Г. Пастернак2, П.В. Першин1, Ю.А. Рембовский1,
С.М. Федоров2
1ЗАО «ИРКОС», г. Москва, Россия 2Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: предложена конструкция кольцевой антенной решетки, состоящей из петлевых вибраторов Пи-столькорса с резистивными нагрузками в контурах протекания токов, предназначенная для использования в радиопе-ленгаторных комплексах. Антенная решетка представляет собой набор из нескольких соединенных антенн, которые работают вместе как одна антенна для передачи или приема радиоволн. Отдельные антенны (называемые элементами) обычно подключаются к одному приемнику или передатчику с помощью фидерных линий, которые подают питание элементам в конкретном фазовом соотношении. Радиоволны, излучаемые каждой отдельной антенной, комбинируются и накладываются друг на друга, складываясь вместе для усиления мощности, излучаемой в желаемых направлениях, и вычитаясь для уменьшения мощности, излучаемой в других направлениях. Аналогично, при использовании для приема отдельные радиочастотные токи от отдельных антенн объединяются в приемнике с правильным соотношением фаз для усиления сигналов, полученных от желаемых направлений, и вычитания сигналов от нежелательных направлений. Антенная решетка может обладать более высоким коэффициентом усиления, то есть более узким лучом, чем может быть у одиночного элемента. В общем, чем больше количество используемых антенных элементов, тем выше коэффициент усиления и более узкий луч. В работе приведены результаты численного исследования предложенной конструкции антенной решетки
Ключевые слова: петлевой вибратор Пистолькорса, радиопеленгация
Введение
Вслед за развитием электроники развивались и радиопеленгаторы. Ранние системы использовали механически вращающиеся антенны, которые сравнивали уровни сигнала. Современные системы используют сравнение фазовым или допплеровским методом, которые, как правило, проще автоматизировать. В настоящее время методы широкополосной передачи информации все чаще используются для беспроводной связи, а значит, спектральные компоненты могут быть сопоставлены с определенным эмиттером, только если известно направление прихода излучения. Поэтому радиопеленгация является необходимым первым шагом в детектировании радиосигналов [1, 2].
Наличие опорной мачты в радиопеленга-торных антенных решетках приводит к существенному искажению формы диаграммы направленности антенных элементов, сильно зависящему от частоты.
Проектирование антенного устройства
Для решения данной проблемы в настоящем работе предложена кольцевая антенная решетка, состоящая из петлевых вибраторов Пистолькорса с резистивными нагрузками в контурах протекания токов, рис. 1. В рассматриваемой антенной системе мачта выполняет также функцию общего проводника всех петлевых вибраторов, диаметр которого существенно превышает ширину плоских проводников петлевых вибраторов Пистолькорса, благодаря чему диаграммы направленности каждого элемента в составе решетки характеризуются стабильностью формы в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3.
© Ашихмин А.В., Коротков Л.Н., Пастернак Ю.Г., Першин П.В., Рембовский Ю.А., Федоров С.М., 2019
Рис. 1. Конструкция кольцевой антенной решетки, состоящей из шунтовых вибраторов Пистолькорса с резистивными нагрузками
Радиотехника и связь
Размеры контуров протекания токов и номиналы резисторов определялись путем оптимизации на основании численного анализа антенной системы с использованием метода Вейланда [3-7].
Антенная решетка функционирует в полосе частот от 1 до 3 ГГц. Количество вибраторов Пистолькорса, расположенных эквидистантно по азимутальной координате - 9. Диаметр окружности, на которой расположены вибраторы - 110 мм. Полная длина вибраторов -150 мм. Длина высокочастотного (внутреннего) контура составляла 72 мм. Длина среднечастотного контура - 104 мм. Диаметр внутреннего экрана - 80 мм. Среднее значение входного сопротивления вибраторов - 100 Ом. Номиналы последовательно включаемых резисторов - 300 Ом и 200 Ом (при удалении от точек запитки антенны). Номиналы параллельно включаемых резисторов - 300 Ом, 200 Ом и 100 Ом (при удалении от точек запитки).
Номограмма Смита антенны для волнового сопротивления фидерной линии 100 Ом приведена на рис. 2; частотная зависимость КСВН - на рис. 3. Частотная зависимость полного коэффициента полезного действия антенны приведена на рис. 4.
Рис. 2. Номограмма Смита вибратора Пистолькорса с резистивными нагрузками, находящегося в составе кольцевой антенной решетки
Frequency / GHz
Рис. 4. КПД (в дБ) вибратора Пистолькорса с резистивными нагрузками, находящегося в составе кольцевой антенной решетки
Существенное снижение КПД (минимальное значение КПД в диапазоне 1-3 ГГц составляет приблизительно -8 дБ) антенны является платой за относительную стабильность формы диаграммы направленности, рис. 5, 6 и удовлетворительное для сверхширокополосной приемной антенны качество согласования (в полосе частот 0.5-2.6 ГГц максимальный уровень КСВН составляет 2.8). Шесть поперечных печатных плат, играющих роль шунтов, в разрывы которых включены резисторы, также выполняют функцию обеспечения механической прочности вибратора Пистолькорса.
Рис. 3. КСВН на входе вибратора Пистолькорса с резистивными нагрузками, находящегося в составе кольцевой антенной решетки
f=3 ГГц
Рис. 5. ДН шунтового вибратора Пистолькорса в составе кольцевой решетки
направленности в сверхширокой полосе частот.
Литература
1. John L. Volakis, Antenna Engineering Handbook, Fourth Edition, McGraw-Hill Education: New York, 2007, 1755 p.
2. Thomas A. Milligan, Modern Antenna Design, 2nd Edition, Wiley-IEEE Press, 2005, 632 p.
3. Weiland, T., A Discretization Method for the Solution of Maxwell's Equations for Sixcomponent Fields, Electronics and Communications AEEU, 1977, Vol. 31, No. 3, pp. 116-120.
4. M. Clemens, Weiland T., Discrete Electromagnetism with the Finite Integration Technique, Progress In Electromagnetics Research, PIER 32, 2001, pp. 65-87.
5. Пирогов А.А. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 1. С. 162-163.
6. Разработка радиоэлектронных модулей с использованием планарных трансформаторов на основе многослойных печатных плат методом сквозного проектирования / А.А. Пирогов, А.Б. Буслаев, А.О. Дрозов, О.Ю. Макаров // Радиотехника. 2018. № 7. С. 11-15.
7. Сравнение статистических методов испытаний надёжности РЭС / А.С. Костюков, И.С. Бобылкин, Л.Н. Никитин, А.А. Пирогов // Надежность и качество: труды международного симпозиума. 2018. Т. 2. С. 35-37.
Поступила 05.12.2018; принята к публикации 31.12.2019 Информация об авторах
Ашихмин Александр Владимирович - д-р техн. наук, главный инженер, ЗАО «ИРКОС» (129626, Россия, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), e-mail: info@ircos.ru
Коротков Леонид Николаевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет
(394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473) 246-66-47, e-mail: myftt@yandex.ru
Пастернак Юрий Геннадьевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет
(394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: pasternakyg@mail.ru
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, ЗАО «Иркос» (129626, Россия, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21 ),
тел. +7(473) 2-392-300, e-mail: pershinpv@gmail.com
Рембовский Юрий Анатольевич - д-р техн. наук, директор по внешнеэкономической деятельности, ЗАО «ИРКОС» (129626, Россия, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21), e-mail: info@ircos.ru
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
ANNULAR ANTENNA GRID OF PISTOLKOR LOOP VIBRATORS WITH RESISTANT LOADS IN THE CURRENT CIRCUITS
A.V. Ashihmin1, L.N. Korotkov2, Yu.G. Pasternak2, P.V. Pershin1, Yu.A. Rembovskiy1,
S.M. Fedorov2
JSC "IRCOS", Moscow, Russia 2Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: a design of an annular antenna array consisting of Pistolkor loop vibrators with resistive loads in current path loops is proposed for use in radio direction finder complexes. An antenna array is a collection of several joined antennas that work together as one antenna to transmit or receive radio waves. Separate antennas (called elements) are usually connected to one receiver or transmitter using feeder lines that feed the elements in a particular phase relationship. The radio waves emitted
Farfeld Directivity Abs (Theta=90)
Phi / Degree vs. dBi
Рис. 6. Разрез в азимутальной плоскости ДН шунтового вибратора Пистолькорса в составе кольцевой решетки на частотах 1, 1.5, 2, 2.5, 3 ГГц
Выводы
Таким образом, недостатки и достоинства данного технического решения очевидны. Недостатки: существенное уменьшение КПД из-за рассогласования и потерь мощности в резисторах; увеличение уровня собственных шумов по той же причине; качество согласования оставляет желать лучшего. Достоинства: компактность, механическая прочность, удовлетворительное сохранение формы диаграммы
Радиотехника и связь
by each individual antenna are combined and superimposed on each other, adding together to increase the power emitted in the desired directions, and subtracting to reduce the power emitted in other directions. Similarly, when used to receive, individual RW currents from individual antennas are combined in the receiver with the correct phase ratio to amplify signals received from the desired directions and subtract signals from unwanted directions. The antenna array may have a higher gain, that is, a narrower beam than a single element may have. In general, the greater the number of antenna elements used, the higher the gain and the narrower the beam. The paper presents the results of a numerical study of the proposed antenna array design
Key words: Pistolcors loop antenna, radio direction finding
References
1. Volakis J.L. "Antenna engineering handbook", Fourth Edition, McGraw-Hill Education, New York, 2007, 1755 p.
2. Milligan T. A. "Modern antenna design, 2nd Edition", Wiley-IEEE Press, 2005, 632 p.
3. Weiland T. "A Discretization method for the solution of maxwell's equations for sixcomponent fields", Electronics and Communications AEEU, 1977, vol. 31, no. 3, pp. 116-120.
4. Clemens M., Weiland T. "Discrete electromagnetism with the finite integration technique", Progress In Electromagnetics Research, PIER 32, 2001, pp. 65-87.
5. Pirogov A.A. "Methods to improve noise immunity and coding efficiency of subscriber access communication networks", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 1, pp. 162-163.
6. Pirogov A.A., Buslaev A.B., Drozov A.O., Makarov O.Yu. "Development of radio-electronic modules using planar transformers based on multilayer printed circuit boards using the end-to-end design method", Radio techniques (Radiotekhnika), 2018, no. 7, pp. 11-15.
7. Kostyukov A.S., Bobylkin I.S., Nikitin L.N., Pirogov A.A. "Comparison of statistical methods for testing the reliability of radio electronic device", Proc. of the International Symposium Reliability and Quality (Nadezhnost' i kachestvo: trudy mezhdu-narodnogo simpoziuma), 2018, vol. 2, pp. 35-37.
Submitted 05.12.2018; revised 31.12.2018
Information about the authors
Aleksandr V. Ashikhmin, Dr. Sc. (Technical), Chief Engineer, JSC "IRKOS" (21 Zvyezdnyy bul'var, Moscow 129626, Russia), e-mail: info@ircos.ru
Leonid N. Korotkov, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473) 246-66-47, e-mail: myftt@yandex.ru
Yuriy G. Pasternak, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: pasternakyg@mail.ru
Pavel V. Pershin, Leading Engineer, JSC "IRKOS" (21 Zvyezdnyy bul'var, Moscow 129626, Russia), tel. +7 (473) 2-392-300, e-mail: pershinpv@gmail.com
Yuriy A. Rembovskiy, Dr. Sc. (Technical), Director of Foreign Economic Activity, JSC "IRKOS" (21 Zvyezdnyy bul'var, Moscow 129626, Russia), e-mail: info@ircos.ru
Sergey M. Fedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru
