CC BY
32
УДК 621.396.67
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-193-200
МОДЕЛЬ НИЗКОПРОФИЛЬНОЙ АНТЕННЫ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ
ОГРАНИЧЕННЫХ РАЗМЕРОВ
Р.Ю. Бородулин, Д.А. Лянгузов
Цель работы: разработка модели низкопрофильной, широкополосной несимметричной бортовой антенны для работы поверхностными волнами, с автоматической компенсацией искажений ее электрических характеристик в полосе рабочих частот. Модель позволяет имитировать внесение компенсирующих изменений в поле ближней зоны антенны, рассчитанное векторным методом конечных элементов, за счет управления выделенными конструкционными параметрами. Результатом работы модели является идентификация требуемых пределов изменений искомых параметров конструкции, снижающих негативное влияние реактивных токов ближней зоны на поле излучения. Оценка эффективности вносимых изменений оценивается путем сравнения с работой простейших несимметричных бортовых вибраторов.
Ключевые слова: низкопрофильная антенна, поверхность ограниченных размеров.
Опыт современных войн и вооруженных конфликтов показывает, что элементы системы управления вскрываются средствами видовой Повышение значения средств видовой разведки для современных войн и вооруженных конфликтов приводит к приоритетному нанесению высокоточных ударов по выявленным элементам системы управления. Так, одним из серьезных демаскирующих признаков подвижных средств радиосвязи является большое число бортовых антенных устройств. Выходом из сложившейся ситуации является применение низкопрофильных антенн, замаскированных под типовые элементы кузова или вооружения объекта, что затрудняет идентификацию последних среди типовых транспортных средств.
К сожалению, само понятие низкопрофильности вносит определенные противоречия между требуемыми электрическими характеристиками антенных устройств и их возможными габаритами. Тем не менее, низкопрофильные антенны известны достаточно давно, они активно применяются в системах связи [1, 2].
Известно, что главным недостатком бортовых антенн является искажение их характеристики направленности (ХН) как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях [3] из-за влияния ограниченных размеров корпуса объекта. В вертикальной плоскости наблюдается смещение максимума излучения вверх относительно плоскости, на которой установлена антенна (в зависимости от линейных размеров объекта - чем меньше объект, тем сильнее отклонение). В горизонтальной плоскости наблюдается искажение формы диаграммы направленности (ДН) в сторону углов и кромок корпуса [4].
Несомненно, на сегодняшний день существуют различные методы ослабления влияния поверхностей на ХН в определенном угловом секторе. Так, для наземных антенн используют развитую систему противовесов, увеличивая проводимость подстилающей поверхности [5, 6]. В случае размещения антенны на борту, противовесом выступает корпус объекта, поэтому добиться равномерного распределения поля в горизонтальной плоскости достаточно сложно вследствие произвольности формы объекта.
Широко развиваемые в настоящее время специальные метаповерхности и метаматериалы способствуют как повышению скрытности объектов за счет снижения их радиолокационной заметности, так и для повышения развязки бортовых антенн при обеспечении электромагнитной совместимости радиосредств [7, 8], что позволяет в том числе компенсировать возможные искажения, вносимые корпусом объекта. К сожалению, их применение ограничено СВЧ-диапазоном и шириной полосы рабочих частот, в которой достигается заметный эффект от их применения. Использование различных поглощающих покрытий приводит к уменьшению эффективности излучения антенн из-за ухудшения свойств противовеса.
Наконец, известным способом экранирования поверхности является применение металлизированной сетки [9], что также слабо применимо для подвижных объектов.
Таким образом, применение дополнительных радиотехнических устройств для бортовых излучателей с целью снижения искажений существенно ограничено, что требует создания специальных низкопрофильных антенн, компенсирующих вносимые корпусом искажения за счет взаимного расположения элементов своей конструкции. Создание таких антенн невозможно без разработки соответствующих математических моделей, основанных на известных численных методах электродинамики [10].
Для того, чтобы оценить факторы, влияющие на формирование ХН, рассмотрим существующие современные конструкции антенн, а также определим способы, которыми достигается низкопро-фильность и ненаправленность их излучения.
Обзор существующих антенн и постановка задач на исследование. На радиостанциях средней мощности коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазона успешно используются низкопрофильные рамочные антенны (например, рамочные антенны зенитного излучения (РАЗИ), а также антенны приемные крышевые (АПК) [11, 12]). К сожалению, их основным недостатком является существенная узкополосность, поэтому для работы в широком диапазоне частот требуется использова-
ние специального согласующего устройства, что значительно снижает коэффициент полезного действия антенны, особенно в УКВ-диапазоне [10]. Кроме того, исключается возможность работы широкополосными (ШРП) сигналами вследствие наличия вносимых антенной искажений на краях рабочего спектра.
В СВЧ-диапазоне низкопрофильные антенны применяются весьма широко. Такие антенны, взятые с центральной точкой питания, позволяют формировать слабонаправленные ХН [10]. В работе [13] высокая эффективность СВЧ-антенны достигнута благодаря комбинированному использованию шунтов и пассивных элементов, а также применению возбуждающего элемента в виде объемного тела вращения (body of révolution, BOR). Недостатком такого решения является значительный вес конструкции, получаемый при электрическом масштабировании антенны в диапазон более длинных волн.
В работе [14] представлен широкополосный несимметричный вибратор для размещения на крыше автомобиля. Он предназначен для работы в системах LTE (Long-Term Evolution) и 5G. Благодаря своей форме (так называемый акулий плавник «shark-fin») антенна имеет низкое сопротивление встречному потоку воздуха, однако фактически низкопрофильной не является. Так, соотношение средней длины волны (Хср = 13,63 см) к высоте антенны (Н = 6 см) составляет 13,63 см / 6 см = 2,27. Для обеспечения электрических характеристик в широком диапазоне частот (например, для работы с абонентами, использующими современные средства специальной радиосвязи на частотах от 190 до 500 МГц) высота антенны должна быть порядка 0,6 м.
В работе [15] описана микрополосковая антенна, позволяющая работать в двух плоскостях поляризации на частотах 2.3 - 2.7 ГГц. В данном частотном диапазоне антенна является достаточно низкопрофильной, но очень узкополосной. Так, при конструкционных параметрах для работы на частоте 250 МГц ширина полосы рабочих частот будет составлять всего порядка 10 МГц, а при электрическом масштабировании до рабочей частоты 25 МГц размеры конструкции будут достигать 0,9 м в высоту и 2,3 м в ширину.
Таким образом, представленные в обзоре рамочные УКВ-антенны имеют недостаточную ши-рокополосность для работы с современными средствами связи, а электрическое масштабирование существующих типов широкополосных СВЧ-антенн в диапазоны более длинных волн крайне неэффективно из-за значительных массогабаритных показателей. Налицо противоречие между широкополосностью и габаритами антенн. Требуется разработка модели низкопрофильной, широкополосной несимметричной бортовой антенны, форма которой будет представлять собой сложную криволинейную конструкцию (с целью уменьшения ее габаритов).
Вопросы использования полезного объема для достижения требуемой широкополосности антенны подробно описаны в [10]. Учитывая необходимость аппроксимации сложных форм поверхности установки и произвольность конструкции излучателя, для численного определения электрических характеристик в диапазоне частот целесообразно применить векторный метод конечных элементов (МКЭ).
Ограничения и допущения. Учтем, что в рассматриваемом диапазоне частот изменение проводимости антенны оказывает слабое влияние на её характеристики, поэтому поверхность излучателя можно принять идеально проводящей [10]. Такой подход избавляет от необходимости расчета токов в поверхностном скин-слое и позволяет не учитывать их внутри металла исследуемой модели.
Согласно МКЭ расчетная область разбивается на конечное число тетраэдров, каждому из которых присваиваются параметры среды: диэлектрическая проницаемость е, магнитная проницаемость д, удельная проводимость с. Возбуждение осуществляется специальной моделью, имитирующей линию питания определенного волнового сопротивления без потерь.
Антенна излучает электромагнитное поле в бесконечное пространство, однако в случае использования векторного МКЭ безграничное пространство должно быть ограничено специальными «прозрачными» для радиоволн стенками (в пределах ближней зоны, определяемой условием Зоммерфельда на поле излучения [16]). Разработанная модель включает установленные на границах расчетной области поглощающие граничные условия S0 (рис. 1). Для снижения вероятности появления отраженных волн расстояние от стенок фиктивной поверхности до антенны должно быть больше четверти длины волны [17]. Среда распространения внутри моделируемой расчетной области - вакуум с параметрами ее, Д0 , поверхность антенны - идеально проводящая.
В качестве постоянных примем внешний диаметр антенны D (ограничение в выборе площадки размещения) и высоту конструкции H (для обеспечения низкопрофильности). Величину
V = яП D | ПН назовем минимально допустимым объёмом для размещения антенны. Для достижения
\ 2 J
максимальных широкополосных свойств данный параметр должен иметь ограничения, определенные в [10].
Исследуем нижнюю границу изменения данного параметра. Для этого в качестве примера рассмотрим диапазоны рабочих частот цифровой радиостанции, предназначенной для обеспечения помехо-и разведзащищенной радиосвязи в тактическом звене управления (ТЗУ), в зависимости от применяемого типа антенн в виде несимметричных вибраторов (НСВ) различной длины. Для обеспечения требуемой широкополосности минимально допустимые значения D либо H (в зависимости от ориентации антенны) представлены в табл. 1.
Таблица 1
Номинальные значения элементов электрической цепи__
Антенна /шт /тах (/.Шах~/тт)//ср кср *Б(И) Б (И), м
АШ-27/520-Н 27 520 1,8 >1,5 >0,195
АШ-100/520-ПН 100 520 1,35 >1,4 >0,15
АШ-1550/1650-ПН 1550 1650 0,0625 >0,045 >0,04
Таким образом, параметры антенны, получаемые на выходе модели, должны позволить построить антенну с характеристиками не хуже штатных антенн целевой радиостанции.
Структура модели. Следуя работе [13], выберем начальную структуру модели антенны в виде совокупности следующих конструкционных параметров (рис. 1):
а) возбуждающего элемента высотой Н и радиусом г (в следующих вариантах форм: конус, треугольник шириной либо два треугольника, расположенных под углом в друг к другу);
б) верхней емкостной нагрузки (в форме паразитного кольца с внешним и внутренними диаметрами Б и а);
в) шунтов высотой Н (от 4 до 8 штук цилиндрической формы радиуса t1 = 75-10-5 Хср, либо плоских пластин шириной Ш);
г) части поверхности ограниченных размеров, на которую установлена антенна, имитирующая корпус радиостанции.
Выбранная форма возбуждающего элемента позволяет придать антенне максимально широкополосные свойства [18, 19]. Выбор формы емкостной нагрузки в виде паразитного кольца позволяет варьировать параметры «подключаемых» к антенне «индуктивностей» и «емкостей» для уменьшения общей высоты конструкции и улучшения согласования с линией питания. Шунты, устанавливаемые по окружности модели позволяют вносить «предыскажения» в форму ХН, одновременно экранируя возбуждающий элемент от влияния полей, переизлучаемых кромками корпуса радиостанции.
В результате эквивалентная электрическая схема антенны примет следующий вид (рис. 2).
Рис. 2. Эквивалентная электрическая схема антенны
195
Данная схема позволяет убедиться в широких возможностях для «настройки» антенны, как элемента электрической цепи, путем варьирования ее конструкционными параметрами.
Анализ путей снижения искажений, вносимых поверхностью установки антенны (корпусом объекта). Формирование слабонаправленной ХН возможно путем внесения предыскажений в местах максимальной концентрации вторичных токов, распределенных по поверхности установки антенны. Такой способ требует перед разработкой антенны предварительного анализа данной поверхности, так как антенна будет иметь искаженную и неоптимальную с точки зрения равномерности характеристику направленности, по сравнению с установленной над бесконечной идеально проводящей плоскостью.
При помощи разработанной модели произведем анализ возможности снижения влияния корпуса радиостанции на установленную антенну, для чего можно пойти различными путями.
Для предварительного анализа влияния поверхности можно установить тестовый излучатель в виде четвертьволнового НСВ на различные части корпуса объекта радиосвязи: в фазовый центр, а затем возле углов и кромок. Следующим этапом можно произвести численный анализ поверхностного распределения токов для каждого частного случая. Далее можно сравнить поля в каждой точке «неравномерности» формы корпуса с полем при размещении тестовой антенны в центре конструкции. Разница между ними и есть так называемый «вклад» формы корпуса поверхности объекта, на котором расположен излучатель, что и требует компенсации. К сожалению, такой подход позволяет оценить вносимые искажения только на одной частоте и не применим для оценки работы антенны в широком диапазоне рабочих частот.
Предлагается оценить влияние «неравномерности» поверхности объекта установки в среднем, масштабируя модель антенны так, чтобы компенсировать набеги фаз поверхностных токов, служащих источником создания «паразитного» вторичного излучения. Для целенаправленного внесения «предыскажений», например, в направлении углов, предлагается в их сторону устанавливать шунты различной формы, учитывая вносимое повышение концентрации токов ближней зоны антенны.
В целях снижения объема вычислений, можно воспользоваться методикой [20], позволяющей производить расчеты только на той части корпуса объекта, которая значительно влияет на искажение токов ближней зоны антенны.
Для тестового анализа используем куб с ребром 1 метр. Установим антенну с 8 шунтами цилиндрической формы по центру конструкции и исследуем форму диаграммы направленности (рис. 3 сплошная линия). В направлении минимума излучения оставим шунты, удалив остальные. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости изменится в сторону оставшихся шунтов (рис. 3 пунктирная линия). В вертикальной плоскости форма диаграммы направленности остается практически неизменной. Что касается КСВ, при уменьшении количества шунтов, как и ожидалось, согласование антенны незначительно ухудшится.
№ 100 В. |ряд
Рис. 3. Форма ДН в горизонтальной плоскости вследствие изменения конструкции, <р=10 град
Далее изменим форму 4 шунтов, установленных в направлении неравномерностей объекта, на прямоугольную, шириной Ж. Наиболее чувствительной к изменению параметра Ж оказалась диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, поэтому и ограничимся её рассмотрением в дальнейшем (см. рис. 3). Наилучшие значения в горизонтальной плоскости достигаются для максимальной ширины шунта 0,003 Хср, что соответствует величине 4/1 [16], однако в вертикальной плоскости данному значению ширины шунта соответствует минимальный уровень излучения. Что касается КСВ, начиная от Ж более 0,013 Хср широкополосные свойства антенны сохраняются. Таким образом, наиболее эффективными являются шунты цилиндрической формы, установленные в направлении углов объекта.
Анализ влияния формы возбуждающего элемента на электрические характеристики бортовой антенны. С помощью разработанной модели исследуем влияние формы и радиуса возбуждающего элемента на электрические характеристики антенны, заменив конический вибратор его сечением в вертикальной плоскости треугольным элементом шириной /.
Диаграмма направленности полученной антенны в горизонтальной плоскости для различной толщины элемента практически не изменится (рис. 4), однако значения коэффициента усиления для углов 9 от 0 до 30 градусов станут выше относительно использования элемента в виде конуса.
Усложним конструкцию, добавив второй треугольный возбуждающий элемент, расположенный под углом в к первому элементу. В этом случае значение коэффициента усиления в горизонтальной плоскости на низких углах возвышения ДН от взаимного расположения элементов излучателя существенно зависеть не станет (см. рис. 4), однако сам КУ по сравнению с треугольным элементом повысится.
Ширина рабочей полосы частот по критерию КСВ < 2 в данном случае максимальна при в = 90 град. Величина радиуса возбуждающего элемента значительно влияет на уровень излучения на низких углах места. Наибольшему горизонтальному размеру излучателя соответствует максимум КУ. С уменьшением г уровень излучения падает, начиная от г < 0.2 Хср радиус излучателя незначительно влияет на форму ХН.
Сравнительный анализ влияния параметров модели на уровень КУ представлен в табл. 2.
Рис. 4. Диаграмма направленности модели антенны в горизонтальной плоскости при изменении некоторых конструкционных параметров, ф=10 град
Таблица 2
Влияние некоторых параметров модели на уровень излучения__
Параметр Г г в W В
Диапазон изменения, Хср 0,003-0,026 0,52-0,336 10-90 0,003-0,052 0.13-1.15
Изменение КУ, % 42 87 25 37 213
Сравнительный анализ модели низкопрофильной, широкополосной несимметричной бортовой антенны с несимметричным вибратором. Для оценки равномерности углового распределения значений коэффициента усиления в диапазоне частот введем коэффициент неравномерности ДН равный отношению максимального и минимального угловых значений КУ на одной рабочей частоте. Результаты распределения значений коэффициента неравномерности ДН для угла места 10 град. (при размещении на кузове размером 2*2.5*2.2 м.) показаны на рис. 5 (НСВ - пунктирная линия).
Исследование входного сопротивления антенны. Для снижения высоты возбуждающего элемента добавим паразитное кольцо в конструкцию антенны, однако значения активной (ЯА) и реактивной (ХА) составляющих комплексного входного сопротивления антенны сразу изменятся из-за внесения дополнительной ёмкости. С целью компенсации ЯА и ХА возбуждающий вибратор выполним в форме конуса. Для стабилизации значений ЯА в верхнем диапазоне рабочих частот сделаем вырез в верхней емкостной нагрузке, а для выравнивания ХА добавим шунты с подложки на верхнюю емкостную нагрузку. В результате значения Яа иХа распределятся более равномерно (рис. 6), что и требовалось.
197
Рис. 5. Сравнение электрических характеристик антенны сНСВ
V max V nmi
V »)!ftV v пн п
Рис. 6. Некоторые этапы разработки модели антенны и соответствующие изменения входного
сопротивления
Вывод. Разработанная новая модель низкопрофильной, широкополосной несимметричной бортовой антенны УКВ-диапазона позволяет определять конструкционные параметры, оказывающие существенное влияние на:
форму диаграммы направленности;
высоту профиля антенны и другие массогабаритные показатели;
широкополосность антенны.
Варьирование данными параметрами при помощи разработанной модели позволяет влиять на форму ДН для компенсации искажений характеристики направленности, которые возникают при размещении антенны на поверхности ограниченных размеров (корпусе подвижного объекта).
С учётом влияния параметров конструкции антенны на формирование поля ближней зоны проведена оценка неравномерности характеристики направленности антенны в диапазоне частот в сравнении с широко используемым вертикальным несимметричным вибратором, настроенным на резонансную частоту, среднюю из частотного диапазона рассматриваемой антенны. Анализ показал наличие существенного выигрыша предлагаемой конструкции по всем критериям оценки. Для определения квазиоптимальных значений параметров антенны с точки зрения эффективности излучения и конкретной формы корпуса объекта в дальнейшем потребуется применение соответствующих алгоритмов оптимизации, управляемые переменные для которых будут сформированы при помощи представленной модели.
Список литературы
1. Виноградов А.Ю., Кабетов Р.В., Сомов А.М. Устройства СВЧ и малогабаритные антенны: учеб. пособие для вузов / под ред. А.М. Сомова. М.: Горячая линия - Телеком, 2012. 440 с.
2. Белоусов О.А., Ефремова А. С., Казарян О.А., Калашников С.Н. Применение фрактальных антенн для беспроводных широкополосных сетей четвертого поколения // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2014. № 3(53). С. 56 - 61.
3. Крячко А.Ф., Лихачев В.М., Оводенко А.А. Комплексная математика в задачах прикладной электродинамики. М.: Политех-Пресс 2020. 268 с.
4. Лянгузов Д.А. Проблемы построения широкополосных антенн при размещении на подвижных объектах / Д.А. Лянгузов, Р.Ю. Бородулин // Сб. мат. науч.-практ. конф. «Технологии. Инновации. Связь»: 19 апреля 2022. Санкт-Петербург: ВАС, 2022. С. 232 - 237.
5. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: учебник. М.: Энергия, 1975. 528 с.
6. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть III. Простые КВ антенны. М.: ИМ РадиоСофт, Журнал «Радио», 2006. 288 с.
7. Xu, HX., Hu, G., Wang, Y. et al. Polarization-insensitive 3D conformal-skin metasurface cloak // Light Sci Appl. 2021. V. 10(1).
8. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light / Ni, Xingjie & Wong, Zi & Mrejen, Michael & Wang, Yuan & Zhang, Xiang // Science. V. 349. 2015. P. 1310 - 1314.
9. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть II. Основы и практика. М.: ИМ РадиоСофт, Журнал «Радио», 2006. 288 с.
10. Бородулин Р.Ю. Конструкционный синтез электрически малых антенн: Монография. СПб.: ВАС, 2020. 180 с.
11. Кочетков А.О., Литкевич Г.Ю., ЧернышовА.Г. Командно-штабная машина Р-149КШ-1. СПб.: ВАС, 2016. 164 с.
12. Романенко П.Г., Кузнецов Д.А., Спирин А.М., Штрекер Е.Н., Риконен Д.Ю. Системы радиосвязи специального назначения. Радиостанции средней мощности. Книга 2. Радиостанция Р-166. СПб.: ВАС, 2016. 107 с.
13. A Wideband Low-Profile Antenna Composed of a Conducting Body of Revolution and a Shorted Parasitic Ring / H. Nakano, H. Iwaoka, K. Morishita, J. Yamauchi // IEE Transactions on Antennas and Propagation. V. 56, no. 4, April 2008, P. 1187 - 1192.
14. Khalifa M. O., Yacoub A. M., Aloi D. N. A multi-wideband compact antenna design for vehicular sub-6GHz 5G wireless systems // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2021. Vol. 69. № 12. P. 8136 - 8142.
15. Yijing He, Yue Li. Dual-polarized microstrip antennas with capacitive via fence for wide beam-width and high isolation // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. Vol. 67. № 7. P. 5095 -5103.
16. Jin J. The finite element method in electromagnetics. Wiley. 2014. 800 p.
17. Young W., Kwon Hyochoong Bang. The Finite Element Method using MATLAB. CRC Press LLC. 1997. 519 p.
18. С.Щелкунов, Г. Фриис. Антенны (Теория и практика). М.: Советское радио. 1955. 608 с.
19. Частотно независимые антенны / Пер. с англ. А. П. Сахарова: Под ред. канд. техн. наук А. Ф. Чаплина. Москва: Мир, 1968. 176 с.
20. Лянгузов Д. А. Исследование влияния высоты корпуса подвижного объекта на результаты определения электрических характеристик вертикального несимметричного вибратора при работе радиостанции УКВ-диапазона / Д. А. Лянгузов, Р. Ю. Бородулин // Сб. мат. науч.-практ. конф. «Технологии. Инновации. Связь»: 19 апреля 2022. Санкт-Петербург: ВАС, 2022. С. 227 - 231.
Бородулин Роман Юрьевич, д-р техн. наук., доцент, borodulroman@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи,
Лянгузов Данила Андреевич, адъюнкт, danilalgz@ya.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи
A MODEL OF A LOW-PROFILE ANTENNA FOR PLACEMENT ON A SURFACE OF LIMITED DIMENSIONS
R.U. Borodulin, D.A. Lyanguzov
The purpose of the work: to develop a model of a low-profile, broadband asymmetric on-board antenna for working with surface waves, with automatic compensation of distortions of its electrical characteristics in the operating frequency band. The model allows you to simulate the introduction of compensating changes in the near field of the antenna, calculated by the vector finite element method, by controlling the selected design parameters. The result of the model is the identification of the required limits of changes in the desired design parameters that reduce the negative effect of reactive currents of the near zone on the radiation field. The evaluation of the effectiveness of the changes made is evaluated by comparing with the work of the simplest asymmetric on-board vibrators.
Key words: low-profile antenna, surface of limited dimensions.
Borodulin Roman Yurevich, doctor of technical sciences, docent, borodulroman@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Military Communications Academy,
Lyanguzov Danila Andreevich, postgraduate, danilalgz@ya.ru, Russia, St. Petersburg, Military Communications Academy
