CC BY
39
Радиотехника и связь
DOI 10.36622^Ти.2021.17.6.010 УДК 621.396
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННЫХ АНТЕНН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СКРЫТНОСТИ РАДИОСВЯЗИ В VHF ДИАПАЗОНЕ
И.А. Баранников, Е.А. Ищенко, С.М. Фёдоров
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: рассматривается плазменная вибраторная антенна, которая предназначена для работы в УНР диапазоне на частоте 140 МГц. Вибраторные плазменные антенны отличаются от обычных вибраторных антенн тем, что металлический проводник заменяется плазмой в газоразрядной трубке. Плазменный вибратор, создаваемый разрядом в трубке, способен включаться и выключаться за время порядка микросекунд. Применение плазменной антенны позволяет обеспечить два режима работы: активный, когда плазма индуцирует проводящую поверхность, и скрытый, когда антенна становится практически невидимой для электромагнитных волн, а плазменное облако отсутствует. Для определения характеристик антенны использовалось электродинамическое моделирование. Полученные результаты показывают, что характеристики плазменной вибраторной антенны близки к характеристикам эквивалентного ей металлического диполя, при этом длина плазменной антенны меньше. Для определения эффективности скрытного режима антенны производилось сравнение характеристик эффективной площади рассеяния плазменной антенны с выключенным плазменным облаком и эквивалентного металлического диполя. Полученные результаты показывают, что плазменная антенна обладает высокой эффективностью излучения, диаграммами направленности, схожими с эквивалентной дипольной антенной, и значительно меньшими значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР) в выключенном режиме
Ключевые слова: плазменная вибраторная антенна, скрытность радиосвязи
Введение
Плазменные антенны позволяют обеспечить связь в динамическом режиме. При появлении плазменного облака происходит формирование проводящей поверхности, которая выступает излучателем, если же облако не сформировано, антенна представляет собой полый стеклянный цилиндр, который обладает малыми значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР) и не излучает ЭМВ. Таким образом, применение плазменных антенн позволяет существенно повысить скрытность радиосвязи без использования сложных метаматериальных пластин, особой формы излучателей. Теория возможности формирования таких антенн описана в [1].
В работе [2] авторы приводят описание процедуры излучения плазменных антенн, при этом удается достичь максимально близкой диаграммы направленности к изначальной металлической антенне (полуволновой диполь). Математическое описание плазмы позволяет достичь того, что управление характеристиками излучения возможно не только путем изменения резонансных частот материала плазмы и размеров антенны, но и путем формирования
многомодового излучения. Благодаря особенностям конструкции и характеристикам излучения материала плазмы удается также уменьшить длину излучателя.
В работе [3] производится сравнение характеристик излучения для плазменной антенны и алюминиевого диполя. Полученные результаты показывают, что использование плазменных антенн позволяет сохранить все наиболее важные характеристики излучателя: КНД, КПД, диапазон рабочих частот. Таким образом, можно сделать вывод об эффективности использования плазменных антенн, при этом их использование позволяет понизить зашумление радиопространства, так как при отсутствии необходимости формирования канала антенна отключается и, в связи с этим, пропадает проводящая поверхность.
В работе [4] авторы проводят эксперимент, который показывает, что излучение плазменной антенны возможно только в случае формирования плазменного облака, при его же отсутствии КНД антенны падает значительно менее 0 дБ. Путем проведения эксперимента было показано, что характеристики плазменного излучателя максимально схожи с полным металлическим диполем.
© Баранников И.А., Ищенко Е.А., Фёдоров С.М., 2021
В работе [5] авторы приводят пример формирования реконфигурируемой плазменной антенны, причем изменение характеристик излучения вызывается различными резонансными свойствами плазмы в излучателе, что приводит к формированию дополнительных каналов связи. Помимо этого, авторы рассматривают антенну с полным металлическим рефлектором, что приводит к ухудшению ЭПР антенны, а низкие значения ЭПР в выключенном состоянии являются одним из самых главных преимуществ плазменных антенн.
В работе [6] авторы приводят пример сравнения электродинамического моделирования плазменной антенны с экспериментальными данными, как показали результаты, удается достичь высокой корреляции результатов. Таким образом, выполнение электродинамического моделирования позволяет эффективно получить результаты и решить поставленную задачу по получению характеристик излучателя. Авторы также показывают, что использование плазменных антенн в антенной решетке позволяет достичь управления характеристиками диаграммы направленности.
В данной статье производится моделирование плазменной антенны, а также ее режимов работы; для выявления эффективности снижения радиолокационной заметности антенны в выключенном режиме производилось сравнение характеристик ЭПР с металлическим полуволновым диполем.
Конструкция антенны
Плазменная антенна представляет собой полый стеклянный цилиндр, в котором помещается вещество (плазма). В данном случае для возбуждения излучателя использовался металлический колодец, который передает возбужденное поле на излучатель. Для плазмы важным параметром является ее частота, которая определяется выражением:
лпе2 /1 \
где п - концентрация свободных электронов или мера ионизации плазмы, е - заряд электрона, те - масса электрона.
Для исследуемой модели (рис. 1) частота плазмы составляла 2 ГГц.
н н< Штт
к |
а)
Рис. 1. Модель исследуемой антенны: а) вертикальный разрез антенны с питающим элементом; б) диаметры плазменной антенны и запитывающего колодца
При подаче напряжения на стеклянный цилиндр в нем возникает плазменное облако, которое выступает в роли излучателя, что формирует антенну, причем для рассматриваемой конструкции целевым является диапазон 140 МГц. Для проверки характеристик антенны производилось электродинамическое моделирование.
Моделирование характеристик плазменной антенны
Так как плазменное облако обладает достаточно узким резонансным диапазоном, требуется очень точная настройка антенны на целевой диапазон. В рассматриваемом случае диапазон рабочих частот определяется по уровню возвратных потерь ^ц) менее -10 дБ (рис. 2а), а также очень важным является сохранение высокого уровня КПД в рабочем диапазоне частот (рис. 2б).
S-Parameters [Magnitude]
139.-85 I 142-55
Frequency / MHz
a)
Total Efficiency [Magnitude]
—Tot Efficiency [1]
Frequency/MHz
б)
Рис. 2. Характеристики излучателя: а) график возвратных потерь с обозначенным диапазоном рабочих частот; б) КПД антенного элемента
Как видно, полученный антенный элемент обладает рабочим диапазоном от 139.25 до 142.56 МГц, что является целевым диапазоном работы антенного элемента, а КПД антенны в рабочем диапазоне частот не опускается ниже 88%, что позволяет сделать вывод о большой эффективности антенного элемента. Диаграмма направленности антенны для частоты минимума Бп (140.68 МГц) приводится на рис. 3.
Как видно по полученным результатам, антенна обладает характеристиками излучения, которые схожи с полуволновым диполем, при этом, если отсутствует плазменное облако, диаграмма направленности значительно ослабляется и излучение практически отсутствует (рис.
4).
Farfieid Directivity Abs (Thêta=90) 15
Farfield Directivity Abs (Phi=90)
— farfield (f= 140.68} [1]
150
165
Phi / Degree vs. dBI
Frequency = 140.68 MHz Main lobe magnitude = 1.12 dBi
а)
—farfield (f=140,68) [1] Phi=270
165
Thêta / Degree vs. dBi
135Frequency = 140.68 MHz
Main lobe magnitude = 1.12 dBi Main lobe direction = 90.0 deg. Angular width (3 dB) = 88.2 deg.
б)
Рис. 3. Диаграмма направленности полученной плазменной антенны: а) горизонтальная плоскость;
б) вертикальная плоскость
таким образом, понижение составило 1.627 дБ, что соответствует уменьшению на 145.3 %. Видно, что при отсутствии плазменного облака излучение отсутствует, а, следовательно, антенный элемент становится практически невидимым для электромагнитных волн. Для сравнения характеристик эффективной площади рассеяния (ЭПР) производилось сравнительное моделирование с металлическим полуволновым диполем, который был разработан для того же диапазона рабочих частот - длина диполя 982 мм (что в 2.8 раза больше, чем длина изначальной плазменной антенны (рис. 1)). Диаграммы
Рис. 4. Сравнение диаграмм направленности тт™ направленности диполя и плазменной антенны
при включенной и выключенной плазме
во включенном режиме приводятся на рис. 5.
После отключения плазмы видно, что КНД антенны уменьшился с 1.12 дБи до -0.507 дБи,
FF Th-90 Pl+Mt dB 0
30
—farfield (f=140) Mt ■—farfield (f=140) Plasma A
0
Plasma Ant. Frequency = 140.68 MHz Main fobe magnitude - 1.12 dBi 270
Dipole
^^ Frequency - 140.SS MHz
Main lobe magnitude - 1,9 dBi
FF Phi=SQ PJ + MT dB 0
150
180
Phi / Degree vs. dBi
ISO
Theta / Degree vs. dBi
—farfield (f=140) Mt Phi=270 —farfield (f—140) Plasma A
Plasma Ant. Frequency - 140.68 MHz
Main lobe magnitude = 1.12 cB
Main lobe direction = 90.0 deg.
Angular width (3 dB) = 88.2 deg.
Dipole
Frequency = 140.68 MHz Main lobe magnitude = 1.9 dBi Main lobe direction = 90.0 deg. Angular width (3 dB) = 78.3 deg.
а)
6)
Рис. 5. Диаграммы направленности плазменной антенны и полуволнового диполя: а) горизонтальная плоскость;
б) вертикальная плоскость
Как видно из полученных результатов, КНД металлического диполя больше, чем у разработанной плазменной антенны, однако стоит учитывать, что металлический диполь обладает значительно большими размерами, а также лишен возможности скрытного режима. Для определения характеристик ЭПР производилось облучение выключенной плазменной антенны и металлического диполя плоской электромагнитной волной, при этом производилось сохранение значений ЭПР - рис. 6.
BCS SM о! Design
-Г'", Plasma cf: -RCS (sm) mt d
Frequency / HHi
a)
RCS dBsm of Design
— RCS (dBsm) Plasma oft -RCS (dBsm) mt d
50 100 150 200 ;
Frequency / MHz
300 350 400
6)
Delta RCS [Magnitude]
Frequency / MHz
в)
Рис. 6. Сравнение характеристик ЭПР металлического диполя и выключенной плазменной антенны: а) ЭПР в м2; б) ЭПР в дБм2; в) разность ЭПР в дБм2
Как видно из полученных результатов, ЭПР выключенной плазменной антенны значительно
ниже, чем у полуволнового диполя. Для анализа всех результатов воспользуемся таблицей.
Сравнение характеристик плазменной антенны и эквивалентного полуволнового диполя
Характеристика Плазменная антенна Металлический диполь
Длина антенны, мм 351 982
КНД max (f=140.68 МГц), дБ 1.12 1.9
КПД (f=140.68 МГц), % 97.43 96.54
ЭПР (f=140.68 МГц), м2 1.23-10"5 0.187
ЭПР (f=140.68 МГц), дБм2 -49.09 -7.28
Заключение
Плазменные антенны позволяют достичь характеристик, которые схожи с эквивалентными металлическими диполями, при этом они обладают меньшими размерами, обладают скрытным режимом (когда выключены), что позволяет значительно снизить ЭПР объекта. Дальнейшее развитие технологии плазменных антенн может быть направлено на разработку реконфигурируемых антенн, так, из плазменных ячеек возможно создание перестраиваемых рефлекторов, антенных решеток. Полученные результаты в ходе проведенного исследования показали, что плазменные антенны являются одним из передовых устройств для формирования канала связи в VHF диапазоне.
Литература
1. Anderson T. Plasma Antennas. Artech House: USA, 2011. 203 p.
2. Ye H.Q., Gao M. and Tang C.J. Radiation Theory of the Plasma Antenna// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. Vol. 59. No. 5. pp. 1497-1502. DOI: 10.1109/TAP.2011.2123051.
3. Rayner J.P., Whichello A.P. and Cheetham A.D. Physical characteristics of plasma antennas// IEEE Transac-
tions on Plasma Science. 2004. Vol. 32. No. 1. pp. 269-281. DOI: 10.1109/TPS.2004.826019.
4. Mohammad Mahdi Abbasi, Shahrooz Asadi, Abbas Pirhadi. The comprehensive design of high efficiency monopole plasma antenna using surfaguide exciting method// AEU - International Journal of Electronics and Communications. 2020. Vol. 121. 8 p.
5. Oumar Alassane Barro, Mohamed Himdi, and Olivier Lafond. Reconfigurable Cylindrical Plasma Antenna // Progress In Electromagnetics Research M. 2018. Vol. 66. P. 65-72.
6. Sun, Jian and Yuemin Xu. Simulation study of plasma antenna reconfigurable performance// 2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE). 2015. P. 67-70.
Поступила 14.10.2021; принята к публикации 16.12.2021 Информация об авторах
Баранников Илья Андреевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com
Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
APPLICATION OF PLASMA ANTENNA TECHNOLOGY TO IMPROVE RADIO COMMUNICATION STEALTH IN VHF BAND
I.A. Barannikov, E.A. Ishchenko, S.M. Fyedorov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article discusses a plasma dipole antenna, which is designed to operate in the VHF band at a frequency of 140 MHz. Plasma dipole antennas differ from conventional dipole antennas in that the metal conductor is replaced by plasma in the discharge tube. The plasma dipole created by the discharge in the tube is capable of turning on and off in times of the order of microseconds. The use of a plasma antenna makes it possible to provide two modes of operation: active, when the plasma induces a conductive surface, and hidden, when the antenna becomes practically invisible to electromagnetic waves, and the plasma cloud is absent. We used electrodynamic modeling to determine the characteristics of the antenna. The results show that the characteristics of the plasma dipole antenna are close to those of the equivalent metal dipole, while the length of the plasma antenna is shorter. To determine the efficiency of the hidden mode of the antenna, we compared the characteristics of radar cross-section of the plasma antenna with the plasma cloud turned off and the equivalent metal dipole. The results obtained show that the plasma antenna has a high radiation efficiency, directional patterns similar to an equivalent dipole antenna, and significantly lower RCS values in the off mode
Key words: plasma dipole antenna, radio communication stealth
References
1. Anderson T. "Plasma antennas", USA: Artech House, 2011, 203 p.
2. Ye H.Q., Gao M., Tang C.J. "Radiation theory of the plasma antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 2011, vol. 59, no. 5, pp. 1497-1502, doi: 10.1109/TAP.2011.2123051.
3. Rayner J.P., Whichello A.P., Cheetham A.D. "Physical characteristics of plasma antennas", IEEE Transactions on Plasma Science, Feb. 2004, vol. 32, no. 1, pp. 269-281, doi: 10.1109/TPS.2004.826019.
4. Mohammad Mahdi Abbasi, Shahrooz Asadi, Abbas Pirhadi "The comprehensive design of high efficiency monopole plasma antenna using surfaguide exciting method", AEU - International Journal of Electronics and Communications 2020, vol. 121, pp. 8.
5. Oumar Alassane Barro, Mohamed Himdi, Olivier Lafond "Reconfigurable cylindrical plasma antenna", Progress In Electromagnetics Research M, 2018, vol. 66, 65-72.
6. Sun Jian, Yuemin Xu "Simulation study of plasma antenna reconfigurable performance", 2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE), 2015, pp. 67-70
Submitted 14.10.2021; revised 16.12.2021
Information about authors
Il'ya A. Barannikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com
Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792
Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163
