CC BY
17
УДК 621.396.4
НОВЫЕ ВИДЫ ЗАЩИЩЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИГРАНИЧНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ АНТЕНН ДЕКАМЕТРОВОГО И МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН ДВОЙНОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Д.А. Антропов, О.Ю. Перфилов, В.Е. Фидельман
Обоснована актуальность разработки новых конструкций широкополосных пластинчатых антенн декаметрового и метрового диапазона длин волн, размещенных у границы раздела разнородных сред. Предложены технические решения, позволяющие улучшить электрические характеристики и защищенность перспективных пластинчатых антенн, размещенных в районах (зонах) с экстремальными условиями эксплуатации.
Ключевые слова: приграничные пластинчатые антенны, дублет-антенны, коэффициент усиления, коэффициент бегущей волны, диапазонные свойства, радиоэлектронные средств, электромагнитная совместимость.
В настоящее время в нашей стране уделяется значительное внимание развитию труднодоступных районов в целях разведки и освоения полезных ископаемых, нефти, газа и биоресурсов, освоения новых транспортных путей и решения других важнейших народнохозяйственных задач. Для обеспечения решения этих задач развивают информационно-телекоммуникационные системы для управления удаленными объектами специального и гражданского назначения. Очевидно, что в сложных природно-климатических условиях удаленных регионов значительная часть каналов связи систем управления объектами, размещенных на этих территориях, будет реализована на каналах радиосвязи различных диапазонов длин волн [1-3].
Актуальными становятся задачи обеспечения требований электромагнитной совместимости (ЭМС) множества радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения, эффективного использования, выделенного ограниченного радиочастотного ресурса и высокой степени физической защиты применяемых антенно-фидерных устройств [4, 5]. Основной целью проведенного исследования является разработка защищенных конструкций коротковолновых широкополосных пластинчатых дублет - антенн (ДА), размещенных у границы материальных сред «воздух - земля».
Общая задача синтеза новых видов антенн заключается во взаимоувязанном решении двух частных задач:
разработка перспективных конструкций антенн У, обеспечивающих максимальное значение коэффициента усиления антенны Ga в требуемом интервале частотного диапазона ЛЕ, антенны;
разработка перспективных конструкций антенн У, обеспечивающих максимальное значение коэффициента бегущей волны антенны Ка в требуемом интервале частотного диапазона антенны.
Постановка первой частной задачи представлена в виде:
Л тах
Ф« = (?) Са.
У ={Ша) Рос) Оа; га;Яа}. где Ф(У) - целевая функция; У - вектор внешних и внутренних параметров; Ша* - множество исследуемых вариантов конструкций антенн; Рсс -вероятностно-временные характеристики систем связи; йа - множество электрических характеристик антенн; Ъа - множество вариантов применения антенн; - множество природно-климатических характеристик района.
При этом должен выполняться ряд ограничений и допущений:
е Ж
Ргг >
а доп»
о
СС ДОП'
сс
В а — ^адоп»
ДРа > ДРа доп> -
QзO п — С?птр»
с < с
^а — ^ а доп»
Эа <
'а доп-
где Ша* - множество предлагаемых вариантов конструкций антенн, соответствующее допустимым Ша доп; Рсс - множество вероятностно-временных характеристик систем связи, соответствующее допустимым Рсс доп ? - множество электрических характеристик антенн, соответствующее допустимым Яадоп; ДРа - диапазонные свойства антенн, соответствующие требуемым АРад0П; Рс - мощность сигналов; Рп - мощность одиночных (групповых) радиопомех; <230, (2ЗОТр ~ реальное и требуемое защитное отношение сигнал/помеха в условиях воздействия радиопомех;
Садоп ~ реальная и допустимая стоимости образцов антенн; Эа, Эадоп -реальная и допустимая стоимость конструкций антенн.
Формальная постановка второй частной задачи имеет вид:
Л тах
ФМ = (?) «а;
У ={№а)Рсс) Эа) 2а)Яа}.
Ограничения и допущения аналогичны заданным ранее.
Новая конструкция ДА относится к приземным антенно-фидерным устройствам декаметрового и метрового диапазонов длин волн, размещаемых у границы раздела материальных сред «земля-воздух», и может быть использована для повышения устойчивости функционирования средств радиосвязи стационарных объектов связи [1, 6-9].
На практике известны ДА, именуемые иногда шлейф-вибраторами, состоящие из активной части шлейф-вибратора - левой и правой секций 1 (рис. 1), симметрично расположенных относительно условной центральной
160
оси антенны, и пассивной части П-образной формы того же шлейф-вибратора 2, выполняемых из пластинчатых металлических проводов, либо заменяющих их плоских металлических сеток, симметричного радиочастотного фидера питания [10, 11].
I з \
Рис. 1. Исходная конструкция дублет-антенны
Недостатками таких конструкций ДА являются неравномерность распределения тока вдоль секций активной части шлейф-вибратора и низкая согласованность входного сопротивления шлейф-вибратора с питающим радиочастотным фидером в рабочем диапазоне частот. Отмеченные недостатки не обеспечивают высокие значения коэффициентов усиления антенны (КУА) и бегущей волны (КБВ), что приводит к снижению уровней излучаемой (принимаемой) мощности радиосигналов используемых участков рабочего частотного диапазона, отрицательно влияет на дальность радиосвязи, уменьшает устойчивость работы средств радиосвязи [12-14].
Поэтому актуальной является разработка новой конструкции ДА, позволяющей обеспечить высокие эксплуатационно-технические характеристики, увеличить устойчивость функционирования средств радиосвязи [15, 16].
Предложенная новая конструкция ДА (рис. 2) включает активную часть, состоящую из симметрично расположенных относительно условной центральной оси антенны левой и правой боковых секций 1 и центральной секции 4, отстоящей на одинаковом расстоянии от боковых секций, причем в целом общие геометрические размеры активной части прототипа антенны и изобретения остаются прежними, пассивную часть шлейф-вибратора П-образной формы 2 и питающий симметричный радиочастотный фидер 3. Активная и пассивная части ДА выполнены из пластинчатых металлических проводов, либо плоских металлических сеток. Центральные жилы кабелей питающего антенну радиочастотного симметричного фидера электрически подключаются к боковым секциям активной части шлейф-вибратора в точках А и В, находящихся на продольной оси активной части
шлейф-вибратора, а экранные оболочки кабелей электрически подключаются к центральной секции в точках А0 и В0, лежащих на той же продольной оси и являющихся ближайшими к точкам подключения к боковым секциям центральных жил кабелей питания.
Рис. 2. Дублет-антенна с измененной активной частью
Новая конструкция ДА отличается от исходной наличием центральной секции в ее активной части и изменением порядка подключения питающего симметричного кабеля к боковым и центральной секциям активной части дублет-антенны.
Наличие двух боковых и центральной секции в активной части ДА, П-образной пассивной части, питающего симметричного радиочастотного фидера и изменение порядка его подключения к центральной и боковым секциям активной части ДА приводят к снижению неравномерности распределения тока вдоль проводников дуплет-антенны в рабочем диапазоне частот, улучшает согласованность с питающим фидером, что позволяет получить эффекты увеличения КУА и КБВ.
Новая конструкция ДА работает следующим образом. При подключении радиопередатчика к входу симметричного фидера высокочастотная энергия распространяется по питающим кабелям в левую и правую секции активной части антенны через соответствующие точки подключения центральных жил и экранных оболочек к боковым секциям и к средней секции в виде вытекающих в секции вибраторов токов. Эти токи секций активных частей ДА и ее прототипа имеют одинаковое направление. А вот распределение тока вдоль секций активных частей антенн различается. В новой ДА по сравнению с ее прототипом распределение увеличенных амплитуд тока более равномерное, обеспечивающее увеличение КУА и КБВ.
Для подтверждения технических результатов были изготовлены макеты новой ДА и ее прототипа с одинаковыми геометрическими размерами: шириной 3 м и длиной 10,2 м, расположенные в воздушной среде параллельно дневной поверхности земли, но выше ее на 3 см.
162
В ходе проведенного эксперимента на макете новой антенны было установлено, что коэффициент усиления дублет-антенны О0 на выбранном частотном участке 3...12 МГц, особенно в его длинноволновой части 3.. .6 МГц, на 1.6 дБ выше, чем у прототипа. Полученные значения входных сопротивлений 2 показывают, что высокие эксплуатационные значения КБВ>0,5 при волновом сопротивлении питающего фидера Ж=150 Ом у дублет-антенны обеспечиваются с рабочей частоты 1,7 МГц и выше, а у ее прототипа - с частоты 2,3 МГц. Таким образом, в новой ДА расширены диапазонные свойства в длинноволновой области рабочего частотного участка на 0,5 МГц.
Полученные результаты позволили перейти к практическим конструкциям новой ДА и ее прототипа, в которых, в отличие от макетов, пространство между антенной и дневной поверхностью земли заполнялось слоем асфальтобетона толщиной 1 м для защиты от климатических изменений окружающей среды.
В ходе испытаний на выбранном частотном участке 3.12 МГц коэффициент усиления антенны О0 превысил коэффициент усиления ее прототипа в среднем в 1,3 раза. Полученные данные входных сопротивлений показали, что значения КБВ>0,5 при волновом сопротивлении фидера Ж=150 Ом у новой ДА обеспечиваются с рабочей частоты 2,7 МГц и выше, а у ее прототипа начинаются с частоты 4,5 МГц. Таким образом, на 1,8 МГц улучшаются диапазонные свойства новой ДА и ее согласованность с питающим фидером. Проведенные трассовые испытания ДА на радиолиниях с радиопередатчиком мощностью 1 кВт показали практическую возможность увеличения дальности связи с 600 км до 700.750 км.
Таким образом, экспериментально было доказано получение технических результатов в новой конструкции ДА: увеличение в среднем коэффициентов усиления антенны на 25.30% и бегущей волны на 15.20%. На предложенное решение получен патент Российской Федерации [17].
Рассмотрим следующую новую конструкцию ДА.
Зачастую для развертывания ДА на отдельных узких площадках, например, на металлических крышах автомобильных кузовов, в узких защищенных подземных антенных излучателях узлов связи возникает необходимость значительного уменьшения геометрических размеров антенн при допустимых значениях электрических характеристик антенн.
Для устранения указанного недостатка в конструкции ДА (рис. 2), состоящей из активной части - левой и правой боковых секций 1 и центральной секции 2, симметрично расположенных относительно условной центральной оси антенны, и пассивной части П-образной формы - длинного шлейфа 3 и левой и правой боковых секций 4, размещенных в одной плоскости, выполненных из пластинчатых металлических проводов, либо заменяющих их плоских металлических сеток, симметричного радиочастотного фидера питания 5, центральные жилы кабелей питающего антенну симметричного радиочастотного фидера электрически подключаются к боковым секциям активной части антенны в точках, находящихся на продольной оси активной части антенны, а экранные оболочки кабелей элек-
163
трически подключаются к центральной секции в точках, лежащих на той же продольной оси и являющихся ближайшими к точкам подключения к боковым секциям центральных жил кабелей питания, изменен порядок расположения всех секций активной и пассивной частей антенны, внесен новый конструктивный элемент в центральной секции активной части антенны 6.
Теперь в новой конструкции ДА (рис. 3) все секции ее активной части и пассивный длинный шлейф размещаются в параллельных плоскостях, а боковые секции пассивной части антенны размещены при этом в плоскостях, к ним ортогональным, а ширина пассивного длинного шлейфа выбирается равной или несколько больше ширины активной части антенны.
Рис. 3. Дублет-антенна с измененными геометрическими размерами
Кроме того, для улучшения равномерности протекания тока в новой ДА, повышения механической прочности в ее центральной секции активной части добавлена прямоугольная перегородка, размещенная в ортогональной плоскости, по геометрическим размерам равная боковым секциям пассивной части антенны, также выполненная из пластинчатых металлических проводов, либо заменяющих их плоских металлических сеток. На практике в качестве пассивного длинного шлейфа может использоваться другая металлическая поверхность: металлическая поверхность крыши автомобильного кузова, несколько превышающая ширину заявляемой дублет-антенны, металлическая крыша здания или другой объект.
Внесенные конструктивные изменения позволяют получить технические результаты: уменьшение геометрических размеров (ширины) новых конструкций ДА до величины ширины площадок их возможного практического размещения на различных мобильных и стационарных объектах связи, снижение неравномерности распределения тока вдоль проводников дублет-антенны в рабочем диапазоне частот, улучшение согласования с питающим фидером, увеличение КУА и КБВ.
Предложенная новая ДА работает следующим образом. При подключении радиопередатчика к входу симметричного фидера высокочастотная энергия распространяется по питающим кабелям в левую и правую секции активной части антенны через соответствующие точки подключе-
з
ния центральных жил и экранных оболочек к боковым активным секциям и к средней активной секции, соединенной с дополнительной перегородкой, создавая в элементах антенны, по другому расположенных, чем в прототипе, синфазные и противофазные токи возбуждения [18].
Проведенные исследования доказали полученные технические результаты - расширение возможностей организации радиолиний связи за счет применения ДА с меньшими геометрическими размерами на автомобильных кузовах нормальной и удлиненной базы, а также на ограниченных по размерам стационарных объектах более эффективных крышевых ДА, активные и шлейфовые длинные пассивные части которых лежат в параллельных плоскостях, снижение неравномерности распределения тока вдоль проводников ДА в рабочем диапазоне частот, улучшение согласования с питающим фидером, увеличение КУА и КБВ.
Так, например, применение крышевой дублет-антенны, имеющей длину, равную 0,9 длины кузова автомобиля марки «КамАЗ-4310» (4,5 м), ширину, равную 0,75 ширины кузова этого автомобиля (1,7 м) и высоту, равную 0,2 м при КБВ>0,4 обеспечивает устойчивую радиосвязь (70 . 80%) в декаметровом диапазоне длин волн 3.12 МГц отраженной от ионосферы радиоволной на радиотрассах до 500.1000 км при используемых мощностях радиопередатчика 1.5 кВт как в режиме слухового приема, так и при цифровых способах передачи информации.
При работе на подземную дублет-антенну максимальная дальность работы соответственно уменьшится до 500.700 км. При уменьшении длины крышевой дублет-антенны в два раза обеспечивается устойчивая (70.80%) ультракоротковолновая (метровая) связь земной (поверхностной) волной на расстояние до 100 км.
Таким образом, поставленная цель - снижение геометрических размеров ширины новой конструкции ДА до величины ширины площадок их возможного практического размещения на мобильных и стационарных объектах связи, улучшение её основных электрических характеристик на 10.15% - достигнута [19].
Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенных конструкций ДА, заключается в возможности повышения мобильности и надежности радиосвязи подвижных и стационарных узлов связи в условиях отрицательных воздействий различных факторов внешней среды. Количественная величина технико-экономического эффекта от новых конструкций новых антенн зависит от способов организации радиосвязи, условий ЭМС и внешних условий обстановки.
Список литературы
1. Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Перспективные конструкции комбинированных приграничных пластинчатых антенн дека-метрового и метрового диапазонов длин волн, развернутых в районах (зонах) со сложными природно-климатическими условиями // Антенны. 2015. № 2 (213). С. 9-15.
2. Sukharevsky O.I., Zalevsky G.S. Unified fast numerical algorithm for calculation of em field of dipole located at arbitrary distance from the boundary of dielectric media // International Conference on Antenna Theory and Techniques: ICATT 2015 - Proceedings 10. 2015. P. 7136793.
3. Перфилов О.Ю., Антропов Д.А. Перспективные конструкции приграничных пластинчатых антенн // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 150-158.
4. Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Разработка новых видов логопериодических вибраторных антенн с улучшенными техническими характеристиками // Антенны. 2018. № 9. С .16-20.
5. Open'ko P.V., Drannyk P.A., Kobzev V.V., Brovko M.B., Zalevsky
G.S. Substantiation of reliability requirements for mobility means of surface-to-air missile systems // Advances in Military Technology. 2017. Vol. 12. № 1. P. 91-99.
6. Чиров Д.С., Кандаурова Е.О. Анализ методов распознавания видов межимпульсной модуляции сигналов радиолокационных средств // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Т. 13. № 3. С. 15-23.
7. Дубровка Ф.Ф., Толкачёв А.В. Однонаправленная сверхширокополосная тонкопрофильная вибраторно-щелевая антенна // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2015. Т. 58. № 4 (634). С. 3-11.
8. Бородулин Р.Ю. Методы увеличения эффективности антенн, погруженных в диссипативные среды // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2017. № 2. С. 39-46.
9. Zalevsky G.S., Sukharevsky O.I. Secondary emission characteristics of resonant perfectly conducting objects of simple shape // 9th International Conference on Antenna Theory and Techniques, ICATT 2013. P. 145-147.
10. Патент 2119901 FR. Приемная антенна / Б.Керавенант, 1971. Опубл. 10.11.1972.
11. Патент 2568328 FR. Дублет-антенна, согнутая из пластин / Г.Дубост, Н.Хавот, 1975. Опубл. 10.12.1976.
12. Макаренко В.Г., Подорожняк А.А., Рудаков С.В., Богомолов А.В. Инерциально-спутниковая навигационная система управления транспортными средствами // Проблемы управления. 2007. № 1. С. 64-71.
13. Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Фам Ван Винь, Кондратьева С.Г., Шмачилин П.А. Печатная широкополосная бортовая антенна с пластинчатой структурой // Электросвязь. 2017. № 10. С. 65-70.
14. Фещенко К.Б., Козлов В.Е., Богомолов А.В., Волобуев А.П., Рудаков С.В. Методика оценивания продолжительности метрологического обслуживания измерительных приборов и аппаратных средств в условиях разомкнутых метрологических цепей // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2007. Т. 5. № 1. С. 54-60.
15. Будяк В.С., Давыдович А.В., Кисмерешкин В.П., Косточкина
H.А. Логопериодические антенны вертикальной поляризации // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5. № 4. С. 10-13.
166
16. Рудаков С.В., Богомолов А.В. Методика расчета напряженности электростатического поля в изоляции многожильных кабелей // Безопасность в техносфере. 2013. Т. 2. № 1. С. 39-43.
17. Патент 2568328 РФ. Дублет-антенна / Д. А. Антропов, И.Б. Вас-серман, В.Н. Кира, О.Ю. Перфилов, В.Е. Фидельман, 2013. Опубл. 20.11.2015 Бюл. № 32.
18. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л. Антенно-фидерные устройства. М.: Советское радио, 1961. 816 с.
19. Дублет-антенна: пат. РФ 2686856. Опубл. 06.05.2019 Бюл. № 13.
Антропов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vnkantropov@mail.ru, Россия, Москва, Академия военных наук Российской Федерации,
Перфилов Олег Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник, perfilov-o-yu@mail.ru, Россия, Москва, Академия военных наук Российской Федерации,
Фидельман Валерий Евгеньевич, старший научный сотрудник, заслуженный изобретатель Российской Федерации, fidelmanve@,gmail. com, Россия, Москва, Академия военных наук Российской Федерации
NEW TYPES OF PROTECTED CONSTRUCTIONS OF BORDER LAMELED ANTENNAS OF DECAMETER AND METER RANGE OF DUAL WA VES LENGTHS
D.A. Antropov, O.Yu. Perfilov, V.E. Fidelman
The relevance of developing new designs of broadband plate antennas of decameter and meter wavelengths located at the interface of dissimilar media is substantiated. Technical solutions are proposed that improve the electrical characteristics and security of promising plate antennas located in areas (zones) with extreme operating conditions.
Key words: cross-border plate antennas, doublet antennas, gain, traveling wave coefficient, band properties, electronic equipment, electromagnetic compatibility.
Antropov Dmitriy Alekseyevich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vnkantropov@,mail. ru, Russia, Moscow, Academy of Military Sciences of the Russian Federation,
Perfilov Oleg Yur'yevich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher, perfilov-o-yuamail. ru, Russia, Moscow, Academy of Military Sciences of the Russian Federation,
Fidelman Valery Evgenievich, senior researcher, honored inventor of the Russian Federation, fidelmanve@,gmail. com, Russia, Moscow, Academy of Military Sciences of the Russian Federation
