CC BY
122
УДК 621.396.677.75:621.318.134
А.И. Семенихин
канд. техн. наук, профессор, кафедра антенн и радиопередающих устройств, Институт радиотехнических систем и управления, ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет»,
г. Таганрог
А.И. Черноколпаков
студент,
кафедра антенн и радиопередающих устройств, Институт радиотехнических систем и управления, ФГБОУ ВПО «Южный федеральный университет»,
г. Таганрог
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНФОРМНОЙ МАГНИТНОЙ ФЕРРИТОВОЙ АНТЕННЫ
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Аннотация. Рассматривается полноволновое электродинамическое моделирование конформной магнитной ферритовой антенны, установленной в верхней части фюзеляжа большого летательного аппарата (ЛА). Описывается модель и радиотехнические характеристики антенны в составе ЛА. Приведены расчётные диаграммы направленности антенны при изменении частоты излучения.
Ключевые слова: конформная антенна, магнитная антенна.
A.I. Semenikhin, Southern Federal University, Taganrog
A.I. Chernokolpakov, Southern Federal University, Taganrog
THE MODELING OF AIRCRAFT CONFORMAL MAGNETIC FERRITE ANTENNA
Abstract. Full wave electrodynamic simulation of the conformal magnetic ferrite antenna set in the upper part of a fuselage of the big aircraft (BA) is considered. The model and radio engineering characteristics of the antenna as a part of BA is described. Calculated patterns of the antenna in case of changing radiation frequency are provided.
Keywords: conformal antenna, magnetic antenna.
Широкое распространение ферритовых магнитных антенн обусловлено рядом их положительных качеств: малым весом и размерами, большой экономичностью, надежностью в работе, простотой изготовления и настроек, наличием направленных свойств, относительно высокой эффективностью и другими ценными свойствами. Ферритовые антенны обладают низкой чувствительностью к электрическим помехам. Они применяются в радионавигации, в качестве передающих антенн радиомаяков (с КПД более 50%), в качестве связных и пеленгационных антенн на судах, подвижных объектах и летательных аппаратах [1, 2].
Ниже рассматривается моделирование ферритовой рамочной антенны, предназначенной для конформной установки в верхней части фюзеляжа большого летательного аппарата (ЛА). Антенна не должна ухудшать летных качеств ЛА и должна обеспечивать радиосвязь с ним на частотах 2 МГц - 30 МГц. Ниша антенны закрывается сверху слоем (обтекателем) из радио-поглощающего материала (РПМ) для улучшения электромагнитной совместимости.
Описание моделей антенны. Моделирование антенны осуществляется методом конечных элементов в HFSS [3]. Модель 1 антенны представляет собой замкнутый ферритовый
2 2 сердечник с сечением стержня 30х50 мм и внешними размерами 970х970 мм (рис. 1а). Сердечник поднят на высоту 10 мм над фрагментом фюзеляжа ЛА (размеры фрагмента фюзеляжа 300х300 см2). На сердечник нанесены четыре питающие обмотки, каждая из которых состоит из 5 витков ленточного проводника шириной 2 мм (рис. 1б).
Для улучшения согласования антенны на высоких частотах [1] разработана модель 2, использующая также четыре питающие обмотки, но с одним витком в каждой (рис. 2б). В этой модели вместо однородного ферритового сердечника использован гетерогенный (неоднородный по сечению) сердечник для увеличения КПД антенны [2]. Сердечник состоит из трёх гори-
зонтальных слоёв (рамок): верхний и нижний слои выполнены из ферритового материала 200 ВНП, средний слой - из ферритового материала 2000 НМ1. При расчётах учитывалась частотная зависимость относительной магнитной проницаемости этих материалов (рис. 2, 3).
а б
Рисунок 1 - Модель 1 магнитной антенны с четырьмя питающими обмотками (а) и вид одной питающей обмотки (б)
Рисунок 2 - Зависимость проницаемости j феррита от частоты
200+2000+200 —200ВНП 2 слоя —¿г—2000НМ1 1 слой
Рисунок 3 — Зависимость магнитных потерь tg6|J от частоты
Модель 2 магнитной антенны располагается в нише вверху фюзеляжа ЛА под обтекателем из РПМ толщиной 10 мм (табл. 1). Размах крыльев ЛА 5222 см; длина ЛА 2088 см (рис. 2а). В центре ферритового рамочного сердечника (под обшивкой ЛА) в непосредственной близости от портов предполагается размещение согласующих и приёмо-передающих устройств. Ферри-товый сердечник антенны с питающими витками располагается на общей (с согласующими и приёмо-передающими устройствами) подложке из материала Rogers Ultralam 2000 (tm) толщиной 10 мм (табл. 1).
Таблица 1 - Параметры РПМ и подложки антенны
РПМ Родвгэ Шга!ат 2000 ^т)
£ 33,5 2,5
М 6,5 1
tg5£ 0,003 0,0019
tg5м 0,015 0,015
а б
Рисунок 4 - Модель 2 магнитной антенны вверху ЛА (а), и общий вид антенны с неоднородным ферритовым сердечником под обтекателем из РПМ (б)
Равноамплитудное питание каждой из 4-х обмоток осуществлялось в двух режимах: синус-косинусное питание с фазами возбуждения портов 0°, 90°, 180°, 270°, и несинфазное питание противоположных портов с фазами возбуждения 0°, 0°, 180°, 180°.
Результаты расчёта. На рисунке 3 приведены диаграммы направленности (ДН) в дБ для КНД в режиме синус-косинусного питания антенны с учетом влияния корпуса ЛА.
Рисунок 5 - ДН антенны с учетом ЛА на линейных поляризациях на частотах 1,5 МГц, 10 МГц, 20 МГц, 30 МГц в вертикально-продольной плоскости
Видим, что неравномерность ДН в горизонтальной плоскости составляет 18 дБ (1,5 МГц), 6 дБ (10 МГц), 10 дБ (20 МГц), 13 дБ (30 МГц). На частоте 1,5 МГц в ДН наблюдаются два глубоких провала. В вертикально-поперечной плоскости антенна излучает в верхнюю полусферу. При повышении частоты увеличивается неравномерность ДН в верхней полусфере (рис. 5 и 6).
о
Curve Info
- dB(OlrPhi)
Setupi : Sweepl F req =D.01 G Hz1 Th eta^deg'
- dB(OlrPhi)
Setupl : Sweepl F req=0.02 GHi'Th eta="90deg'
- dB(OlrPhi)
Setupl : Sweepl F req =D.03G Hz1 Th eta="90deg'
-Э0
dB(DirPhi)_1 Setupl : Sweep эо F req ="0.0015G Hz" Theta=DOd eg"
-180
Рисунок 6 - ДН антенны с учетом ЛА на линейных поляризациях на частотах 1,5 МГц, 10 МГц, 20 МГц, 30 МГц в горизонтальной плоскости
Заключение. Использование гетерогенного ферритового сердечника и питающей обмотки с одним витком улучшает работу магнитной антенны в составе ЛА. Найдены лучшие режимы возбуждения портов антенны, которые обеспечивают радиосвязь в горизонтальной плоскости и в верхней полусфере. Для улучшения характеристик антенны возможен подбор оптимальных параметров и структуры ферритового сердечника.
Список литературы:
1. Хомич В.И. Ферритовые антенны. - М.: Энергия, 1969. - 96 с. - (Массовая радиобиблиотека; вып. 721).
2. Бобков А.М. Широкополосная приемная ферритовая антенна с комбинированным сердечником. Патент RU, № 225264. C1, 7 H01Q7/08, 2005.
3. Банков С.Е., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS.
М., 2009. - 736 с.
