CC BY
22
Molchanov Andrey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of department - head of department (senior test engineer) of military unit, andryoe@yandex.ru, Russia, Akhtubinsk, Military unit 15650,
Chausov Evgeny Viktorovich, senior test engineer of military unit, ewhenig@yandex.ru, Russia, Akhtubinsk, Military unit 15650
УДК 621.396
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИГРАНИЧНЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ АНТЕНН
О.Ю. Перфилов, Д.А. Антропов
Показана актуальность разработки новых конструкций широкополосных пластинчатых антенн декаметрового и метрового диапазона длин волн, размещенных у границы раздела разнородных сред, и предложены технические решения, позволяющие улучшить электрические характеристики и защищенность пластинчатых антенн, применяемых в экстремальных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: пластинчатые антенны, коэффициент усиления антенны, коэффициент бегущей волны, диапазонные свойства антенны, ромбическая антенна, электромагнитная совместимость.
В современных условиях большое внимание уделяется развитию труднодоступных районов (зон) страны, что требует совершенствования существующих и разработки новых информационно-телекоммуникационных технологий управления множеством удаленных объектов различного назначения [1]. Очевидно, что в экстремальных природно-климатических условиях Арктики и других приморских регионов значительная часть каналов связи систем управления объектами, размещенных на этих территориях, будут реализованы на каналах радиосвязи различных диапазонов длин волн [2-5].
При этом весьма актуальными становятся задачи обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) множества радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения, эффективного использования выделенного радиочастотного ресурса и высокой степени физической защиты используемых антенно-фидерных устройств.
Целью проведенного исследования являлась разработка и исследование новых защищенных конструкций коротковолновых широкополосных пластинчатых одношлейфовых «дублет-антенн» (ДА) и двухшлейфо-вых «бидублет-антенн» (БИДА), размещенных у границы материальных сред «воздух-земля» в регионах со сложными природно-климатическими условиями эксплуатации [1, 5].
Общая задача синтеза новых конструкций антенн будет заключаться во взаимоувязанном решении двух частных задач:
150
разработке конструкций антенн, обеспечивающих максимальное значение коэффициента усиления антенны в требуемом интервале частотного диапазона антенны;
разработке конструкций антенн, обеспечивающих максимальное значение коэффициента бегущей волны антенны в требуемом интервале частотного диапазона антенны.
Существующие дублет-антенны (ДА), размещаемые в грунте у границы раздела «воздух-земля», предназначены для создания требуемого энергетического потенциала на передающей стороне радиолинии для обеспечения требуемой надежности связи на приемной стороне. Она зависит от коэффициента усиления и степени согласования (величины коэффициента бегущей волны) антенны с волновым сопротивлением фидера, подводимого к антенне от коротковолнового передатчика мощностью 1.. .7 кВт, или от радиоприемника, что необходимо для обеспечения надежной радиосвязи в зенит пространственной волной на радиотрассах протяженностью 100.1000 км [6-10].
На рис. 1 показана электрическая схема конструкции ДА [11], выбранная в качестве прототипа, имеющая двухсекционную активную часть шлейф-вибратора в виде симметричного пластинчатого вибратора 1 и пассивную часть того же шлейф-вибратора П-образной формы 2.
Рис. 1. Конструкция антенны ДА: 1 - активная часть симметричного
пластинчатого вибратора; 2 - пассивная часть симметричного пластинчатого вибратора; 3 - фидер питания; 4 - экранные оболочки кабелей, 5 - точка электрического соединения экранных оболочек
кабелей
Конструкция (рис. 1) выполнена из цельных пластинчатых металлических проводов, либо из плоских металлических сеток. К симметричной активной части ДА в точках А и В подключается центральными жи-
лами симметричный, выполненный из двух параллельных радиочастотных коаксиальных кабелей, например РК 75-24-15(17), для передающей антенны фидер питания 3. Экранные оболочки кабелей 4 в узле питания активного вибратора электрически соединяются между собой в точке 5.
Сама излучающая (принимающая) часть конструкции ДА может размещаться ниже границы раздела «воздух-земля». Это называется размещением «в выемке грунта». При таком размещении весь объем выбранного грунта заполняется влагостойким радиопрозрачным диэлектриком с заданными электрическими параметрами: абсолютной диэлектрической проницаемостью среды и удельной электрической проводимостью среды. Такую конструкцию принято называть подземной антенной. Если к конструкции антенны предъявляются еще и специальные требования по защите от поражающих факторов природных или создаваемых катастроф, то антенну называют подземной защищенной пластинчатой антенной.
Иногда излучающая (принимающая) часть конструкции ДА размещается выше границы раздела сред «воздух-земля». Такое размещение называют размещением «в насыпи». Объемно изолирующий от влаги строительный диэлектрик в этом случае помещен как выше, так и ниже до самой поверхности земли излучающей (принимающей) части конструкции ДА. Такая конструкция антенны получила название приземной и удовлетворяла предъявляемым требованиям.
Вместе с тем, в ходе серийной реализации ДА за счет отличия параметров используемого изолирующего диэлектрика от требуемых параметров, появилась необходимость расширить рабочий диапазон работы антенны в более длинноволновую область, сделать его ниже 3 МГц и повысить коэффициент усиления антенны. С этой целью разработана электрическая схема конструкции антенны, которая позволяет улучшить ее электрические характеристики (рис. 2) [1, 5].
В новой конструкции антенны ДА-АМ (рис. 2) в активной части шлейф-вибратора применен трехсекционный пластинчатый вибратор прежней геометрической длины, выполненный из двух боковых плеч 1 и средней секции - активной муфты (АМ) 4. Центральные жилы кабелей питающего антенну радиочастотного фидера 3 электрически подключаются к плечам 1 вибратора в точках А и В, а экранные оболочки к средней секции 4 этого активного вибратора в точках Ао и Во [12].
В некоторых вариантах антенн ДА-АМ в целях лучшего растекания тока по вибратору возле концов активных плеч 1 и активной средней секции - плоской АМ 4, края активных плеч и активной средней секции в точках подключения кабелей делаются заостренными, а конструкция вида ДА-АМЗ представлена на рис. 3.
В ДА-АМЗ высокочастотная энергия подводится от передатчика при помощи высокочастотного фидера питания 3, в результате чего происходит равномерное возбуждение зон тока в обоих плечах пластинчатого
активного вибратора 1 и его средней секции 4. Сравнение распределения тока вдоль плеч активных частей антенн (рис. 1-3) показало, что в конструкциях ДА-АМ, особенно ДА-АМЗ, распределение тока более равномерное, что позволило расширить диапазонные свойства этих антенн, повысить коэффициенты их усиления и бегущей волны.
Рис. 2. Конструкция антенны ДА-АМ: 1 - боковые плечи вибратора;
2 - пассивная часть вибратора; 3 - радиочастотный фидер;
4 - активная муфта вибратора; А и В - точки электрического подключения центральных жил кабелей радиочастотного фидера к плечам вибратора; Ао и Во - точки электрического подключения экранных оболочек кабелей радиочастотного фидера к активной
муфте вибратора
Рис. 3. Конструкция антенны ДА-АМЗ: обозначения - см. рис. 2
153
Кроме разработки конструкций по электрической схеме дублет-антенн рассматривались и другие конструкции, электрические схемы которых выполнены по электрической схеме бидублет-антенн (БИДА). В отличие от антенн ДА, антенны БИДА имеет две встречно направленных пассивных части П-образной формы. Введение средней активной секции -плоской АМ простой или заостренной форм 4 превращает конструкцию БИДА в БИДА-АМ или БИДА-АМЗ (рис. 4).
Рис. 4. Конструкция антенны БИДА-АМЗ: обозначения - см. рис. 2
Дальнейшее совершенствование и поиск технических решений привели к конструкции, электрическая схема которого показана на рис. 5 [13].
Рис. 5. Ромбическая антенна БИДА-АМ: 1 - боковые ромбы; 2 - центральный ромб; 3 - фидер; 4 - шлейфы
Антенна ромбическая БИДА-АМ (рис. 5) состоит из трех плоских металлических ромбов: двух боковых 1 и одного центрального 2, выполняющего роль активной плоской муфты. Вершины боковых ромбов сверху
и снизу используются для электрического подключения концов, выполненных линейно, верхнего и нижнего шлейфов 4, а вершины центрального ромба сверху и снизу подключаются к центрам верхнего и нижнего линейных шлейфов. Подключение симметричного фидера 3 выполнено подобно антеннам с плоской активной муфтой.
Следует отметить, что ромбическая антенна БИДА-АМ может кроме того иметь модификацию, приведенную на рис. 6. В этой модификации половинки от линейных шлейфов 4 сверху и снизу не остаются линейными, а изгибаются в виде прямых углов.
Рис. 6. Модифицированная ромбическая антенна БИДА-АМ:
обозначения - см. рис. 5
Проверка технических результатов осуществлялось путем математического моделирования и практических измерений характеристик конструкций антенн, полномасштабных макетов, а также натурных испытаний опытных и серийных образцов коротковолновых антенн ближней (до 1000 км) радиосвязи.
В настоящее время используются на радиотрассах, либо рекомендованы к использованию в составе радиолиний подземные антенны ДА, ДА-АМ и БИДА-АМ. Их излучатели с одинаковыми размерами 10,4х3 м размещаются на глубине в 1,0 м внутри слоя влагостойкого строительного диэлектрика толщиной 2,0 м. В качестве диэлектриков могут использоваться: кладка из красного кирпича, обработанного кровельной битумной мастикой; равномерно уложенный асфальтобетон с максимально повышенным, закрывающим поры, битумом; полимерный бетон марки ФАЭД, изготовляемый на основе связующей эпоксидной смолы. Многолетние исследования показали, что эти диэлектрики вполне способны обеспечить работоспособность подземных антенн на срок не менее срока эксплуатации радиочастотного кабеля типа РК 75-24-15 [14].
4
4
Новые разработки электрических схем дублет-антенн с плоской АМ и бидублет-антенн с плоской АМ могут быть использованы в качестве основы для проектирования наружных коротковолновых антенн стационарных радиоцентров, на которых полотно антенн крепилось бы к мачтам антенных полей. При этом размеры излучателей возросли бы приблизительно на порядок.
Электрическая схема антенны БИДА-АМ при соответствующем уменьшении геометрических размеров может использоваться для создания сложных антенных систем дециметрового диапазона длин волн. При этом два параллельно установленных дециметровых излучателя БИДА-АМ над плоским металлическим отражающим рефлектором запитывались бы от несимметричного высокочастотного кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом через кабельно-катушечный делитель мощности 1:4 с двумя синфазными и двумя противофазными выходами с таким же волновым сопротивлением. Кроме того, антенны БИДА-АМ и БИДА-АМ при исключении металлизации внутри ромбов и оставлении металлизации по контуру элементов излучателя могут превратиться в излучатели типа БИ «зигзагообразная» (рис. 7 и 8).
Проведенные в соответствии с [1, 5, 15-17] расчеты показали, что предложенные новые конструкции антенн позволят в 1,5...2 раза расширить диапазон используемых рабочих частот, увеличить на 10.15% коэф-
Рис. 7. БИ «зигзагообразная» антенна первого вида: обозначения - см. рис. 5
Рис. 8. БИ «зигзагообразная» антенна второго вида: обозначения - см. рис. 5
фициент бегущей волны (0,6.0,75) и 10.20% коэффициент усиления антенны (0,7.0,85), улучшить физическую защищенность антенно-фидерных устройств в экстремальных условиях эксплуатации.
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. 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.
3. Бородулин Р.Ю. Методы увеличения эффективности антенн, погруженных в диссипативные среды // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника, 2017. № 2. С. 39-46.
4. Кюркчан А.Г., Маненков С.А. Дифракция плоской электромагнитной волны на двухслойной конечной решетке, состоящей из малых тел вращения // Радиотехника и электроника, 2017. Т. 62. № 8. С. 748-756.
5. Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Разработка высокоэффективных защищенных широкополосных пластинчатых антенн у границы материальных сред "воздух-земля" с улучшенными диапазонными свойствами и электрическими характеристиками // Антенны, 2014. № 7 (206). С. 49-53.
6. 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.
7. 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.
8. Татарников Д.В., Астахов А.В., Степаненко А.П. Широкополосные малогабаритные пластинчатые антенны объемного типа // Антенны, 2009. № 3 (142). С. 52-58.
9. Лучанинов А.И., Шифрин Я.С. Математическая модель антенны с сосредоточенными нелинейными элементами // Успехи современной радиоэлектроники, 2007. № 9. С. 1-22.
10. 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.
11. Заявка на патент 2311422 Франция. Дублет-антенна, согнутая из пластин / Г. Дубост, Н. Хавот. Опубл. 05.01.1977.
157
12. Патент 2568328 РФ. Дублет-антенна / Д.А. Антропов, И.Б. Вас-серман, В.Н. Кира, О.Ю. Перфилов, В.Е. Фидельман. Опубл. 20.11.2015. Бюл. № 32.
13. Патент 2334317 РФ. Плоскостная, стелющаяся у поверхности Земли, шлейф-антенна / Д.А. Антропов, О.Ю. Перфилов, В.Е. Фидельман. Опубл. 20.09.2008. Бюл. № 26.
14. 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.
15. Бородулин Р.Ю. Методы численного анализа антенн в диссипа-тивных средах // Информация и космос, 2017. № 1. С. 34-41.
16. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Ушаков И.Б. Математическое обеспечение оценивания состояния материальных систем // Информационные технологии, 2004. № 7 (приложение). 32 с.
17. Бородулин Р.Ю., Перфилов О.Ю. Методика энергетической оценки широкополосных антенн // Антенны, 2017. № 4 (236). С. 14-24.
Перфилов Олег Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, vnkantropov@mail. ru, Россия, Мытищи, 16 Центральный научно-исследовательский испытательный институт Министерства обороны Российской Федерации,
Антропов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, vnkantropov@mail.ru, Россия, Москва, Военная академия Генерального штаба Вооруженных Сил Российской Федерации
PERSPECTIVE CONSTRUCTIONS OF BORDER PLATE ANTENNAS O.Yu. Perfilov, D.A. Antropov
The urgency of developing new designs of broadband plate antennas of decameter and meter wavelength ranges located at the interface of heterogeneous media is shown, and technical solutions are proposed to improve the electrical characteristics and security of plate antennas used in extreme conditions.
Key words: plate antennas, antenna gain, traveling wave coefficient, antenna range properties, rhombic antenna, electromagnetic compatibility.
Perfilov Oleg Yuryevich, doctor of technical sciences, professor, chief researcher, vnkantropov@mail. ru, Russia, Mytishchi, 16 Central Research Test Institute of the Ministry of Defense of the Russian Federation,
Antropov Dmitry Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vnkantropov@mail. ru, Russia, Moscow, Military Academy of the General Staff of the Armed Forces of the Russian Federation
