CC BY
212
УДК 621.396.67
ОБЗОР ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ШИРОКОПОЛОСНЫХ РАДИОПЕЛЕНГАТОРНЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
К.О. Волков, Ю.Е. Калинин, Ю.А. Рембовский, С.М. Фёдоров
В данной работе приведен обзор различных типов антенных элементов и решеток, подходящих для использования в радиопеленгаторах. Выделяются и описываются значимые для решения задач радиопеленгации характеристики антенн
Ключевые слова: радиопеленгаторы, широкополосные антенны
В качестве элементов радиопеленгатор-ных решеток может использоваться широкий круг различных антенн [1-9]. Весьма перспективной конструкцией такой антенны является сплошной раскрыв в виде ТЕМ- рупора, запи-тываемого в ряде точек [1], с помощью полос-ковых трансформаторов или - коаксиальных волноводов, рис. 1._
11 Г,1 ¡5 ц 1\ 1,1' Л, Л р,1' Л V' ¡\ ''Г Л /,т 'У Л л 1\ 1) ц V Л Л '0' ¡\ ''Г Л II Л чу ¡\ М'
б)
Рис. 1. ТЕМ- рупора с экспоненциальным законом распределения волнового сопротивления вдоль его рас-крыва запитываемый с помощью полосковых трансформаторов: а) - общий вид; б) - вид сверху
Диаграммы направленности антенной решетки, созданной на основе ТЕМ- рупора, за-питываемого полосковыми трансформаторами,
Волков Константин Олегович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(908) 141-76-34
Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 8(473) 246-66-47
Рембовский Юрий Анатольевич - АО «ИРКОС», д-р техн. наук, тел. 8 (495) 615-73-02
Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(904) 210-05-35
для случая отклонения главного лепестка диаграммы направленности в азимутальной плоскости на угол 45° от нормали к излучающей апертуре, приведены на рис. 2.
Рис. 2. ДН антенной системы, созданной на основе сплошного раскрыва виде ТЕМ- рупора на частотах: а) - 1,4 ГГц; б) - 1,6 ГГц; в) - 1,8 ГГц
При создании подобных ФАР необходимо следить за тем, чтобы при широкоугольном сканировании сохранялось хорошее согласование портов при их совместной запитке и не возникало эффекта «ослепления» ФАР. С этой целью необходимо тщательно оптимизировать
порты запитки, минимизируя их взаимное влияние и улучшая согласование, рис. 3.
сования ФАР приведены на рис. 7, 7, соответственно.
Рис. 3. Номограммы Вольперта-Смита для антенной системы, показанной на рис. 6, при ориентации ее главного лепестка в направлении 45 градусов в азимутальной плоскости
Ниже приведен пример реализации ФАР составленной из печатных логопериодических элементов, сделанных на основе материала Rogers TMM 4.5 толщиной 1.5 мм, рис. 4, 5. Расстояние между элементами составляло d = 58 мм (выбрано исходя из условия
d < 4mn/(1 + Sin ((Р max )) , ^ ^max = 45" - маКсимальное отклонение луча от нормали).
Рис. 4. Антенная решетка из 16 элементов. Высота -148 мм, ширина - 871.5 мм, глубина - 256.8 мм. Материал - Rogers TMM 4.5, толщина - 1.5 мм
Рис. 5. Топология (одна сторона) печатной логопе-риодической антенны
На рис. 6. приведены ДН подобной ФАР при отклонении главного лепестка в азимутальной плоскости на угол 45 градусов; частотные зависимости КПД и характеристики согла-
dB 14.3 ПВ \ L 7.16 "
(up «BSm Type Farfield ittK. mJ^ J Approximation enabled (kR »1) Monitor farfield (f=1) [Simulation_1] > ^E Component Abs —^^^^ Output Realized Gain Frequency 1 Rad. effic. -0.1129 dB Tot. effic. -8.5639 dB rlzd.Gain 14.31 dB #ff I S Phi
а)
Type Farfield Approximation enabled (l:F!
Monitor far field <f=1.7) [SimulationJ ]
Component Abs
Output Realized Gain
Frequency 1.7
Rad. effic. -0.66420 dB
Tot. effic. -0.2365 dB
rlzd.Gain 16.S3 dB
б)
Type
Approximation
Monitor
Component
Output
Frequency
rlzd.Gain
Farfield enabled (kR farfield (f=3) [Simulation_1] flbs
Realized Gain 3
-0.05651 dB -0.61(19 dB 18.22 dB
в)
Рис. 6. ДН 16- элементной антенной решетки при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали: а) - 1,0 ГГц; б) - 1,7 ГГц; в) - 3,0 ГГц
Рис. 7. Частотная зависимость КПД (в дБ) решетки от нормированной к длине волны высоты антенны при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали в полосе частот от 1 до 3 ГГц
Коэффициент отражения, дБ
Рис. 8. Частотные зависимости коэффициентов отражения антенной решетки от нормированной к длине волны высоты антенны в полосе частот от 1 до 3 ГГц при отклонении главного лепестка на угол 45 градусов от нормали
Диаграммы направленности ФАР в азимутальной плоскости, состоящей из ЛПА, и запи-тываемой с помощью диаграммообразующей схемы на основе линзы Ротмана, показаны на рис. 9._
200 220 240 260 280 300 320 340 360 _Азимут, град.
а)
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
Азимут, град.
б)
200 220 240 260 280 300 320 340 360 _Азимут, град.
в)
Рис. 9. ДН антенной решетки, запитываемой линзой Ротмана, в азимутальной плоскости. Максимумы ДН нормированы к значению 0 дБ: а) - 1,0 ГГц; б) - 1,7 ГГц; в) -3,0 ГГц. (Примечание - использовалось всего 10 диаграм-мообразующих портов линзы Ротмана; по 2 порта слева и справа нагружены на балластные резисторы номиналом 50 Ом. Фактически - диапазон сканирования шире, чем 90 градусов, на ширину двух лучей, которые в данном случае не используются)
Возможный алгоритм пеленгации для такой решетки - двухэтапный: 1) амплитудный -для грубой оценки пеленга; 2) фазовый - для точной оценки пеленга. Необходима калибровка разницы фаз для двух соседних лучей ДН с учетом влияния интерференции волн в линзе Ротмана. Антенную систему можно также использовать в режиме многолучевого диаграм-мообразования (формировать сразу 10-12 лепестков в секторе 90- 110 градусов). В этом случае требуется использовать многоканальный приемник.
В работе [2] проведено исследование влияния неидентичности каналов радиочастотного тракта на точность оценки угловых координат источников радиоизлучения в полосе частот от 25 до 3000 МГц, позволившее установить границы допустимых погрешностей измерения амплитуд и фаз в многоканальной приемной системе «антенная решетка из направленных элементов, не имеющих фазового центра - высокочастотные усилители - высокочастотный коммутатор - двухканальный приемник».
В работе [2] также рассмотрены результаты исследований характеристик двух видов сверхширокополосных направленных элементов: модифицированной антенны Вивальди (ее лабораторный макет показан на рис. 10) и гибридного антенного элемента (рис. 11), представляющего собой сверхширокополосный симметричный электрический вибратор, запи-тываемый расширяющейся щелевой линией, обладающей существенными потерями на излучение на частотах выше 300 МГц.
Измеренные и расчетные зависимости КСВН исследуемых антенных элементов приведены на рис. 12-15. Из рис. 12 и 14 следует, что результаты моделирования с приемлемой для практики точностью совпадают с экспериментальными данными при запитке антенн с помощью полоскового симметрирующего трансформатора, рис. 13, (при проведении расчетов не учитывались многие факторы, которые весьма сложно учесть: влияние отражающих поверхностей лаборатории (измерения проводились не в безэховой камере); влияние корпуса прибора; влияние стандартных разъемов и т.д.).
Рис. 10. Одиночный элемент антенной решетки -модифицированная антенна Вивальди (шлейфы улучшают согласование антенны в низкочастотной области ее функционирования)
Рис. 11. Гибридный антенный элемент - широкополосный симметричный электрический вибратор, запиты-ваемый расширяющейся щелевой линией_
ОДЗ 0,26 0,4 0,53 0,67 0,8 0,93 1,06 1,2 1,3 1,47 1,6 1,73 1,87 Ь/1
Рис. 12. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (штриховая линия) зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению на входе модифицированной антенны Вивальди (при измерении экспериментальной зависимости не использовался симметрирующий трансформатор) от электрической высоты антенны
Рис. 13. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (штриховая линия) зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению на входе модифицированной антенны Вивальди, возбуждаемой с помощью полос-кового симметрирующего трансформатора (длина трансформатора - 300 мм; толщина подложки - 1.5 мм; материал подложки - полистирол (8 = 2.56))от электриче-
£
0,42 0,85 1,28 1,7 2,13 2,56 3 3,42 3,85 4,26 4,7 5,16 5,56 6 Ь/1
Рис. 14. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (штриховая линия) зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению на входе гибридного антенного элемента (при измерении экспериментальной зависимости не использовался симметрирующий трансформатор) от электрической высоты антенны
ксвн
7,5 7 6,5 б 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5
г
к \
г1 , т.
1
¡1
V / ' 1
г,
\
\\
V Г'
1 0, ,21 0,42 0.64 0,85 1,06 1,28 1,5 1,7 1,92 ь/х
Рис. 15. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (штриховая линия) зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению на входе гибридного антенного элемента, возбуждаемого с помощью полоскового симметрирующего трансформатора, представленного на рис. 16 (длина трансформатора - 300 мм; толщина подложки - 1.5 мм; материал подложки - полистирол (с = 2.56) от электрической высоты антенны
Рис. 16. Соединение гибридного антенного элемента с симметрирующим и согласующим полосковым трансформатором (подложка - фторопласт)
Влияние волн, отраженных от пола, потолка и стен лаборатории, а также от размещенных в ней приборов и коаксиальных кабелей, привели к максимальным отклонениям результатов экспериментов и расчетов по оценке частотной зависимости коэффициента усиления гибридного антенного элемента, достигающим примерно 2 дБ, рис. 17.
ской высоты антенны
й.дБ llj5
10,5 10 S>,5 9 8,5
x;
/
7,5 7 6,5 6 5:5
: 1
; /
/
4,5 •J
,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 4 2 4 4 4,6 5,2 h/A.
Рис. 17. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (пунктирная линия) зависимости коэффициента усиления гибридного антенного элемента от электрической высоты антенны. Экспериментальные измерения проводились в условиях лаборатории, не являющейся безэховой камерой
Тем не менее, несмотря на осцилляции, видные на графике снятой экспериментальной зависимости, проведенные исследования подтверждают возможность существенного выигрыша в энергетическом потенциале антенной системы, составленной из подобных элементов.
Литература
1. Ашихмин А.В. Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля: дисс. д-ра техн. наук: М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006
2. Рембовский Ю.А. Теория и методы проектирования сверхширокополосных антенных систем аппаратуры радиопеленгации стационарного и мобильного базирова-
Воронежский государственный технический университет АО «ИРКОС», г. Москва
ния: дисс. д-ра техн. наук: М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.
3. Rembovsky, A. Ashikhmin, V. Kozmin, S. Smolskiy. Radio Monitoring. Problems, Methods, and Equipment. // Lecture Notes in Electrical Engineering (Volume 43). Springer. New York. 2009. 508 p.
4. Чернышев С.Л., Виленский А.Р. Исследование балансных печатных щелевых антенн бегущей волны в составе антенных решеток Х-диапазона. // Радиотехника, 2013, № 11. С.122-128.
5. Ашихмин А.В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. М.: Радио и связь, 2005. 486 с.
6. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. М.: Горячая линия - Телеком. 2006. 492 с.
7. Чернышев С.Л., Виленский А.Р., Люй Син, Лю Юн, Сю Сяовэн. Разработка и исследование модифицированной антенны Вивальди в составе плоской широкополосной антенной решётки Х-диапазона. Наука и образование: электронное научно-техническое издание, № 11, 2011, 77-30569/247762.
8. Чернышев С.Л., Виленский А.Р. Анализ дисперсионных характеристик погонных параметров элементарных отрезков сверхширокополосных балансных печатных щелевых антенн бегущей волны. Наука и образование: электронное научно-техническое издание, № 4, 2013 , DOI: 10.7463/0413.0548171.
9. Виноградов А.Д., Литвинов Г.В. Оптимизация структуры малоэлементной антенной решетки широкополосного корреляционно-интерферометрического радиопеленгатора // Антенны. 2003. № 2. С. 32-36.
OVERVIEW OF ADVANCED DESIGNS OF BROADBAND DF ANTENNA ARRAYS K.O. Volkov, Yu.E. Kalinin, Yu.A. Rembovsky, S.M. Fedorov
In this paper, an overview of different types of antenna elements and arrays, suitable for use in the DF devices are given. Describes important for solving DF problems antenna characteristics
Key words: direction finders, broadband antenna
