CC BY
25
Pykhtunkin Alexey Viktorovich, teacher, niri-opaii@mail.ru, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of Logistics,
Rumyantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical sciences, professor, Deputy Head of the department, inf@cdbae.ru, Russia, Tula, JSC CDBA,
Rostovtsev Ivan Aleksandrovich, teacher, niri-opaii@mail.ru, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of Logistics
УДК 621.396.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-198-203
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ КЛИНОВИДНЫЕ ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ СВЯЗИ
Д.А. Антропов
Обоснована актуальность разработки новых конструкций широкополосных клиновидных щелевых антенн метрового и дециметрового диапазонов длин волн, размещенных у границы раздела двух разнородных сред «воздух-земля». Предложены технические решения, позволяющие улучшить электрические характеристики и защищенность перспективных ан-тенно-фидерных устройств, размещенных в районах с экстремальными условиями эксплуатации.
Ключевые слова: клиновидная широкополосная антенна, коэффициент усиления антенны, коэффициент бегущей волны, диапазонные свойства, радиорелейная связь.
В настоящее время в нашей стране в соответствие с целым рядом государственных программ проводятся широкомасштабные проекты по социально-экономическому развитию отдаленных и труднодоступных районов в целях разведки и освоения полезных ископаемых, нефти, газа и биоресурсов, прокладки и освоения перспективных транспортных путей, решению других важнейших народнохозяйственных задач. Кроме того, особое внимание уделяется также и вопросам развития и совершенствования оборонной инфраструктуры этих отдаленных территорий Российской Федерации.
Для решения всего масштабного комплекса задач значительное внимание уделяется развитию и совершенствованию современных информационных и телекоммуникационных систем, комплексов и средств для устойчивого управления многочисленными удаленными объектами как гражданского, так и специального назначения.
Учитывая сложные природно-климатических условия осваиваемых удаленных регионов страны большое внимание уделяется в первую очередь развитию беспроводных высокоскоростных систем связи, позволяющих с высоким качеством передавать большие объемы информации зачастую в сложной электромагнитной обстановке.
Важное место в развертываемой инфраструктуре связи уделяется системам и средствам радиорелейной связи. Системы, комплексы и средства радиорелейной связи позволяют в довольно быстрые сроки формировать высокоскоростные направления и сети связи между удаленными объектами, оперативно менять свою конфигурацию и построение в зависимости от складывающейся обстановки. При этом могут широко использоваться средства радиорелейные связи как прямой видимости, так и тропосферной загоризонтной связи.
С учетом экстремальных условий эксплуатации сложных природно-климатических условий одним из наиболее уязвимых мест систем и средств радио- и радиорелейной связи являются антенно-фидерные устройства.
Основной целью статьи является разработка новых видов защищенных конструкций широкополосных антенн в первую очередь для стационарных средств радиорелейной связи прямой видимости, размещенных у границы материальных сред «воздух - земля».
На первом этапе разработки был выполнен анализ широко известных в технической литературе широкополосных антенн метрового и дециметрового диапазонов длин волн, именуемых как логопериодические вибраторные антенны, предназначенных для обеспечения надежной приземной радиосвязи, размещаемых на стационарных и выдвижных опорах [1, 2].
Типовая конструкция логопериодической антенны приведена на рис. 1.
Конструкция типовой антенны (рис. 1) содержит 6 активных вибраторов 1 - 6 и два пассивных вибратора 7 и 8, подключаемые попеременно через отверстие в экранной оболочке и полиэтилене-диэлектрике к центральному проводу кабеля 9 собирательной линии, и также непосредственно к экранной оболочке кабеля 10 в симметричной кабельной собирательной линии из двух аксиальных кабелей 9 и 10. Здесь в начале антенны центральный провод кабеля 9 соединен с экранной оболочкой кабеля 10 металлической перемычкой 12. Кроме того, металлическая перемычка 11 устанавливается также на конце антенны на расстоянии 1/8 максимальной длины волны диапазона антенны.
Однако такая антенна не удовлетворяет требованиям по своим основным электрическим характеристикам при увеличении используемого частотного диапазона в условиях интенсивного воздействия групповых радиопомех, а также необходимой физической надежности конструкции антенны в чрезвычайных условиях эксплуатации.
На втором этапе разработки в качестве прототипа была выбрана конструкция логопе-риодической вибраторной антенны [3], частично устраняющая отмеченные выше недостатки, которая показана на рис. 2.
Конструкция такой логопериодической антенны, отличается от предыдущей прежде всего V- образной формой размещения используемых симметричных вибраторов, позволяющая повысить коэффициент усиления антенны до 2 дБ для каждой используемой в антенне пары вибраторов.
Конструкция V-образной логопериодической антенны включает в себя 6 активных вибраторов 1-6 и два пассивных вибратора 7 и 8 V - образного вида. В антенне V - образные вибраторы подключены к центральным проводам кабелей 9 и 10 симметричной собирательной линии внутри круглых отверстий в экранах и диэлектрике. В начале антенны центральные проводы кабелей 9 и 10 соединены перемычкой 12, а их экранные оболочки соединены металлической перемычкой 13. Также металлическая перемычка 11 экранных оболочек кабелей устанавливается в конце антенны на расстоянии 1/8 максимальной длины волны диапазона антенны.
12
8 - 1 1-1 2 -1 к 1 — 3 1 зи >
3-1 4 -1 1 1 йг^-'
5 - 1 п-1-4 1 Ь
б -1 гт-'-5 1--, д
-1 11 —С ! г*1-
/V
Рис. 1. Логопериодическая антенна (типовая)
199
Рассмотренная У-образная конструкция антенны не позволяет в полном объеме устранить недостатки исходной антенны в части требуемых электрических характеристик на всей ширине используемого частотного диапазона, особенно его нижней и верхней частей.
На третьем этапе в целях устранения указанных недостатков автором статьи разработана новая конструкция, которая приведена на рис. 3.
В целях повышения физической защиты новой антенны в сложных природно-климатических условиях ее излучающая часть размещается в плоскости раздела двух сред «воздух-земля». При этом, с учетом подходов, изложенных в [4-12], все излучатели антенны прорезаны в металлической крышке специального трапециевидной эндовибратора глубиной до одного метра.
Новая конструкция широкополосной антенны состоит из вырезанных в трапециевидной металлической крышке 15 эндовибратора 6 активных 1-6 и двух пассивных 7 и 8 щелевых У-образных излучателей вытянутой клиновидной формы с заканчивающимися на заостренных концах окружностями, центральные провода 9 и 10 кабелей и их экранные оболочки, образующих симметричную собирательную линию, размещаются под металлической крышкой эндо-вибратора. В начале антенны центральные проводы кабелей 9 и 10 соединены перемычкой 12, а их экранные оболочки соединены металлической перемычкой 13. Также металлическая перемычка 11 устанавливается на конце антенны на расстоянии 1/8 максимальной длины волны диапазона антенны. При этом позиция 13 - одно из мест подключения кольцевых разрезов экранной оболочки левого кабеля симметричной собирательной линии к соответствующим щелевым излучателям, а позиция 14 - одно из мест подключения кольцевых разрезов экранной оболочки правого кабеля симметричной собирательной линии к соответствующим щелевым излучателям.
В новой конструкции антенны использован типовой логопериодический принцип построения вибраторов и их электропитания. При этом каждый излучатель антенны имеет особую линейную клиновидную щелевую форму с окружностью на заостренном конце. Кроме того, используется симметричная кабельная собирательная линия с кольцевыми разрезами в диэлектрике и металлическом экране - оплетке, длины которых совпадают с диаметрами окружностей клиновидных щелевых излучателей, ортогональными к продольной оси клиновидного щелевого излучателя.
Таким образом, в новой конструкции логопериодической антенны в качестве активных и пассивных вибраторов применены особые клиновидные щелевые излучатели, в которых поперечные размеры кольцевых разрезов кабельной собирательной линии являются местами возбуждения этих щелей, прорезанных в трапециевидной металлической крышке эндовибра-тора.
В целях изоляции от земли и среднего уровня сейсмических нагрузок металлический эндовибратор, глубиной в один метр, полностью заполняется пеноэпоксидом. При высоком уровне сейсмических нагрузок эндовибратор заполняется полимербетоном марки ФАЭД. От температурных нагрузок и дождя антенна сверху на 10 см прикрывается слоем термостойкого пеноэпоксида. Вместе с тем, в случае ожидаемых максимальных сейсмонагрузок пеноэпоксид в эндовибраторе будет заменятся на брикеты из высокопрочного бетона с проливкой стыков би-тумокровельной мастикой.
Техническими результатами являются расширение диапазонных свойств в условиях сложной помеховой обстановки, а также повышение механической надежности конструкции антенны в чрезвычайных условиях эксплуатации.
Указанные технические результаты могут быть использованы при выполнении комплекса мероприятий радиоэлектронной защиты в ходе воздействия групповых радиоэлектронных помех различного происхождения на вход антенны, а также разработке высокозащищен-ных антенно-фидерных устройств.
Новая конструкция широкополосной логопериодической антенны на выбранном участке диапазонов метрового и дециметрового диапазонов длин волн 100-1000 МГц работает следующим образом.
При подключении передатчика к входу несимметричного фидера высокочастотная энергия распространяется по нему и входит в левый кабель симметричной собирательной линии, имеющий кольцевые разрезы в экране и диэлектрике, и возбуждает левую половину щелевых излучателей антенны. При наличии перемычек между двумя кабелями симметричной собирательной линии появляется возможность посредством кольцевых разрезов в экране и диэлектрике во втором кабеле возбуждать щелевые клиновидные излучатели правой половины антенны.
Проведенные исследования и испытания показали, что предложенная конструкция новой логопериодической антенны обеспечивает расширение диапазонных свойств и, как следствие, увеличение коэффициента усиления антенны, а также необходимую физическую надежность.
Таким образом, поставленная цель - разработка новой антенны, позволяющей расширить диапазонные свойства и повысить надежность в чрезвычайных условиях эксплуатации, достигнута.
Технико-экономический эффект, обусловленный применением предложенной конструкции антенны, заключается в возможности повышения эффективности выполнения поставленных технических задач в условиях воздействия различных отрицательных факторов как естественного природного, так и искусственного происхождения.
Величина технико-экономического эффекта зависит от способов организации связи в системах приземной радиосвязи различного назначения.
Список литературы
1. Патент 2189676 РФ. Логопериодическая вибраторная антенна / В.Е. Фидельман. Опубл. 20.09.2002. Бюл. № 26.
2. Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. Разработка новых видов логопери-одических вибраторных антенн с улучшенными техническими характеристиками // Антенны. 2018. № 9 (253). С. 16 - 20.
3. Петров Б.М., Костромитин Г.И., Горемыкин Е.В. Логопериодические вибраторные антенны. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 239 с.
4. Патент 2401492 РФ. Широкополосная турникетная антенна / Н.И. Войтович, Д.С. Клыгач, Н.Н. Репин. Опубл. 10.10. 2010. Бюл. № 28.
5. Антропов Д.А. Логопериодические вибраторные антенны с улучшенными диапазонными свойствами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 30 - 36.
6. Фомин Д.Г., Дударев Н.В., Даровских С.Н., Клыгач Д.С., Вахитов М.Г. Резонансные свойства многослойного полосково-щелевого перехода и его использование для СВЧ-измерений диэлектрических свойств материалов // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 8. С. 101 - 110.
7. Klygach D.S. Calculation of scattering electromagnetic field of body with rectangular section // Journal of Computational and Engineering Mathematics. 2016. Vol. 3. No 4. P. 3 - 10.
8. About approach of the transactions flow to poisson one in robot control systems / E.V. Larkin, A.V. Bogomolov, D.V. Gorbachev, A.N. Privalov // Interactive Collaborative Robotics. Proceedings. Editors: Andrey Ronzhin, Gerhard Rigoll, Roman Meshcheryakov. 2017. P. 113 - 122.
9. Либеровский Н.Ю., Припутин В.С., Чиров Д.С. Обзор исследований адаптивного формирования диаграммы направленности и цифровой обработки сигналов // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021. Т. 13. № 6. С. 16 - 21.
10. Zalevsky G.S., Sukharevsky O.I., Vasylets V.A. Integral equation modelling of unmanned aerial vehicle radar scattering characteristics in vhf to s frequency bands // IET Microwaves Antennas & Propagation. 2021. Vol. 15. № 10. P. 1299 - 1309.
11. Analysis of the uncertainty of acoustic measurements at various angles of incidence of acoustic waves on a measuring microphone / A.V. Bogomolov, V.N. Zinkin, S.P. Dragan, E.V. Larkin // Proceedings of 2020 23rd International Conference on Soft Computing and Measurements. 2020. P. 214 - 217.
12. Nechitaylo S.V., Sukharevsky O.I., Vasilets V.A. Near-field calculation for reflector antenna with shape of asymmetrical cutting from a paraboloid of revolution // 11th International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). 2017. P. 88 - 91.
Антропов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, vnkantropov@mail. ru, Россия, Москва, Академия военных наук
PROMISING BROADBAND WEDGE-SHAPED SLOTTED RADIO RELAY ANTENNAS
CONNECTIONS
D.A. Antropov
The relevance of the development of new designs of broadband wedge-shaped slit antennas of meter and decimeter wavelength ranges located at the interface of two heterogeneous media «air-ground» is substantiated. Technical solutions are proposed to improve the electrical characteristics and security of promising antenna-feeder devices located in areas with extreme operating conditions.
202
Key words: wedge-shaped broadband antenna, antenna gain, traveling wave coefficient, band properties, radio relay communication.
Antropov Dmitry Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, vnkantrop-ov@mail.ru, Russia, Moscow, Academy of Military Sciences
УДК 519.217
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-203-208
ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АЛГОРИТМОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ПРИ НАЛИЧИИ ПРЕРЫВАНИЙ
Е.В. Ахрамеева, Т.Р. Кузнецова, В.А. Шаров
Исследуются вычислительные системы, включающие основной процессор и блок обработки внешних прерываний. Разработана модель типового алгоритма цифровой обработки данных на вычислительной системе исследуемого типа. Приводятся методы оценки вычислительной сложности алгоритмов обработки данных без прерываний и с прерываниями. Показано, что наличие внешних прерываний приводит к увеличению времени интерпретации фоновой программы.
Ключевые слова: прерывание, алгоритм, вычислительная сложность, обработка прерывания.
Работа прерывания заключается в том, что при поступлении сигнала прерывания процессор обязан прекратить выполнение текущей программы и немедленно начать обработку процедуры прерывания. IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин.
В фоновом режиме работы подобных систем интерпретируется основной алгоритм системы, и при поступлении прерывания от внешнего источника работа основной программы приостанавливается и система переходит к обработке прерываний. Сенсор фиксирует состояние объекта, близкое к критическому, генерирует прерывания независимо от котроллера. Между источником и ЭВМ фон Неймановского типа возникает «соревнование» [4, 5, 6]. При «победе» в «соревновании» контроллера интерпретация очередного оператора управляющего алгоритма осуществляется без задержек. При «победе» генератора прерываний время интерпретации очередного оператора алгоритма увеличивается на величину, определяемую вычислительной сложностью алгоритма обработки прерываний [7, 8, 9]. Таким образом, прерываний увеличивают общую временную вычислительную сложность фоновой программы, причем увеличение зависит от плотности потока заявок на прерывание и временной вычислительной сложностью алгоритма обработки прерывания. Методы оценки времени интерпретации фоновой программы на этапе проектирования программного обеспечения систем с прерываниями развиты недостаточно, что объясняет актуальность настоящей работы.
Модель функционирования контроллера Фон Неймановского типа с прерываниями вычислительного процесса может быть построена с применением теории параллельных полумарковских процессов [10, 11, 12]. Структура полумарковских процессов М = [А, H(t)] и Мт\ = [А1М, Hint (t)], описывающего как фоновый алгоритм, так и алгоритм обработки прерываний, приведена на рис. 1 а, где b - абстрактный аналог оператора «начало» алгоритма; е - абстрактный аналог оператора «конец» алгоритма.
Параллельно с процессами М и Мтг существует внешний, по отношению к контроллеру процесс, формирующий поток запросов на прерывания, плотность распределения времени между которыми определяется выражением g(t) [13]. Циклограмма функционирования вычислительной системы при наличии прерываний приведена на рис. 2. Первая циклограмма рисунка показывает поток запросов на прерывания. При появлении запроса прерывается выполнение основной программы (вторая циклограмма), контроллер переходит в режим обработки прерываний (третья циклограмма), а потом возвращается к интерпретации фоновой программы.
