ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

С. Е. Мищенко1

доктор техничеких наук

B. В. Шацкий1

кандидаттехничекихнаук, с.н.с.

C.В. Землянский2

кандидат техничеких наук

!фГУП «Ростовский-на-Дону НИИ радиосвязи» ФНПЦ, 2Военная академия связи (филиал, г. Краснодар)

ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Рассмотрен синтез широкополосного векторного излучателя на основе модели векторной антенны, в которой ортогональные компоненты токов являются независимыми.

Введение

Системы радиотехнической разведки (СРР) в процессе сбора и обработки информации в информационном поле должны отвечать требованиям по широкополосности. Поскольку антенна связана со звеньями радиоканала, ее свойствав полосечастотявляютсясущественными. Поэтому при проектировании антенн СРР необходимо уметь синтезировать их требуемые свойства.

В соответствии с [1-3] широкополосные свойства антенны определяются степенью постоянства ее двух параметров: диаграммы направленности (ДН) и коэффициента отражения (КО) на входе фидера. При этом основным способом решения проблемы широкополосности является создание излучателей с медленно меняющимся входным импедансом (ВИ) в полосе частот (ПЧ). Одним из приемов является усложнение распределения тока в излучателе за счет перехода от линейной антенныкплоскому или трехмерному векторному излучателю.

Цель исследования — разработка математического аппарата синтеза широкополосных излучателей на основе модели векторной антенны (ВА).

Синтез излучателей с улучшенными диапазонными свойствами

В [4-6] под ВА понимается совокупность трёх взаимно ортогональных излучателей с совмещенными фазовыми центрами. Управление параметрами антенны: комплексными амплитудами возбуждения элементов или их размерами — позволяет формировать заданные характеристики направленности. Однако в работах, посвященных ВА, свойства таких антенн в ПЧ не исследованы.

Рассмотрим систему (рис. 1) из трех тонких взаимно ортогональных симметричных вибраторов длиной 1а (а = х, у, г) и радиусом га с совмещенными фазовыми центрами. Пусть фидерный тракт состоит из равномерного сумматора «на три» (1 вход сумматора имеет волновое сопротивление (ВС) 50 Ом, а остальные — 150 Ом), четвертьволновых трансформаторов сопротивлений линий передачи с ВС Х{)а к ВС 150 Ом и отрезков линий передачи с ВС Х{)а и длиной Ьа, необходимых для согласования линии передачи с вибраторами. Входное сопротивление вибраторов с отрезком линии передачи и ра — комплексный

Рис. 1. Векторная антенна

коэффициент отражения (КО) на входе вибратора могут быть найдены по формулам [3]:

7та ~ 70а

1 + Ра ехр (-12кЬа ) . _70 - ^а .

'Ра

1 "Ра еХР(-'2к1а )

7 т а = 150 1 + Ра еХР ^ \ 1 "Ра еХР(" ПкЬа )

70 + 7а

(1)

% =

1

7

^ а=х,у,х т-а

7 7 7

т-х т - у т-х.

у у у у у у

7т-х7т-у ^ 7т-х7т-х ^ 7 т-у7т-х,

— 7 7 7 Л 1

— 7 т-х7 т-у7 т-хА

(2)

Р =

50 - 7 _ 50А 7т-х7т-у7т-х.

50 + 7 50 А + 7 ы_у2 т

каЬа =К +

агё Ра 2

(3)

димо каждый раз менять величины 2{)а и Ьа ,что является неудобным с инженерной точки зрения. Поэтому для определения параметров воспользуемся сначала известным подходом [8]:

1 ™2

70а =- | Ке (7а Н) а® ;

®2 "®1 ш,

где 1а — входное сопротивление соответствующего вибратора; 7т _а —сопротивление после трансформации в каждом плече. При подключении трех вибраторов ко входам сумматора входное сопротивление ВА примет вид:

Ь„ =-

1_И|? л + 0>5аГё(Ра Н) ^ > (4)

— т. " т

и2

Результирующий КО и длина линии передачи описываются выражениями вида:

где га2 и га1 — верхняя и нижняя частоты заданного диапазона.

Для произвольного тока в элементе ВАзадача определения ВИ может быть решена с помощью различных подходов [1], [9]. Для антенны рис.1 в виду простоты целесообразно использовать подход метода эквивалентных схем [1,2].

ВИ тонкого симметричного вибратора, ориентированного вдоль орта еа декартовой системы координат, описывается выражением [1]:

= 7>а|1 -«• -а I<ЛЬ(аа1а + 31а,

70а = 1201 -11 >

(5)

а„ = ^; Я1а = ЪшПМ -

Ж

&т2кМ,

2к{Ы„

А), (6)

где Ьа —длина линии передачи при узкополосном согласовании на выбранной частоте, для которой сопротивление равно действительной части входного сопротивления вибратора [3]; ка — волновое число. Однако в широкой полосе частот при узкополосном согласовании необхо-

где —ВС вибратора; га — радиус вибратора; аа — эквивалентный коэффициент затухания; Л1а — погонное активное сопротивление потерь одного проводника линии; 1а — длина плеча вибратора; р = кк1 — эквивалентное волновое число; к1 —

поправочный множитель [1]; RШa — сопротивление излучения вибратора, отнесенное к пучности тока, рассчитываемое по формуле Баллантайна [1,2].

Рассмотрим задачу конструктивного синтеза широкополосного векторного излучателя с ортогональными компонентами токов в следующей постановке. Для заданного диапазона частот и антенны на рис.1 необходимо найти девять параметров: 1а га, Ьа, обеспечивающих минимизацию функционала вида:

2

0 = \ \Р{1а>га>Ьа>®)| ^

(7)

Функционал (7) согласуется с определением широкополосной антенны [1, 2] и является дифференцируемым. Решение задачи синтеза определяется частотной зависимостью ВИ элементов антенны. Компоненты градиента функционала (7) используются для организации итерационного процесса:

уС +1> = у<'> -V« ^

1а 1а у -

ду1

(О

/ — I

^ ; 0^1<б

<'+1) ^ 0'}

(8)

где — скорость приближения к экстремуму. На каждом шаге ^ итераций проверяется выполнение условия (8). При его нарушении

осуществляется дробление шага для нахождения экстремума функции <2 с заданной точностью.

Итак, особенность предлагаемого аппарата состоит в том, что искомые параметры оказывают различное влияние на широкополосные свойства ВА. Следовательно, при реализации процедуры (8) параметр скорости приближения должен отличаться для каждой группы параметров: 1а га, Ьа.

Численное моделирование

Каждый шаг итерационного процесса содержит три последовательные процедуры (8) для каждой группы параметров. Для решения задачи синтеза ВА потребовалось 26 итераций и была сформирована такая частотная зависимость входного сопротивления системы на рис. 1, у которой реальная часть в заданном интервале частот от 196 до 396 МГц (центральная частота 296 МГц) практически неизменна и колеблется вблизи 50 Ом, а мнимая часть колеблется вблизи нулевого уровня. Данному ВИ соответствует зависимость КО на рис. 2.

Сплошная кривая - синтезированная антенна, апункгирная—антеннасначальными параметрами. Исходные и конечные параметры сведены в таблицу 1 (строки 1 и 2). Перед оптимизацией основной вклад в ДН вносит вибратор, ориентированный вдоль оси 0х. После оптимизации размеры всех вибраторов примерно одинаковы, что приводит к изменению формы ДН по сравнению с торроидальной ДН. В рассматриваемойполосе частот ДНВАсохраняется.

Р(/),ДБ

NN \ч у \А /\ / \

Ч "V ^ - — — у' __х

/МГц

Таблица 1

Начальные (1) и конечные (2) значения параметров оптимизации

№ Длины плеч вибратора, м Радиусы проводов, м Длины фидера, м

4 1V 4 rx Гу Г 4

1 0,25 0,1 0,17 0,013 0,050 0,008 0,711 0,865 0,827

2 0,4936 0,458 0,464 0,039 0,064 0,048 0,614 0,814 1,006

Заключение

Таким образом, полученные результаты подтверждают возможность применения узкополосного согласования для отдельных антенных элементов системы излучателей с целью расширениярабочей полосы всей системы

(на рис.2 расширение составило 60 %). Предлагаемый математический аппарат позволяет при определенных модификациях и ограничениях стать основой для решения целого ряда практически важных задач конструктивного синтеза антенн.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны: Учебник длявузов.-М.: Энергия. 1975.

2. Марков Г.Т. Антенны. - М.: Госэнергоиздат. 1960.

3. X. Ding, B.-Z. Wang, G.-D. Ge and D. Wang. A Broadband VHF/UNF Double-WHip Antenna. // IEEE Transaction on Antennas and Propagation. 2012/ V. 60. N02. Pp. 719-724.

4. Балзовский E.B., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Векторная приемная антенна для измерения поляризационной структуры сверхширокополосных электромагнитных импульсов // Радиотехника и электроника, 2005. Т.50. № 8. С.863-872.

5. Габриэльян Д.Д., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Возможности формирования нуля диаграммы

направленности на основе излучателя из трех ортогональных вибраторов. //Радиотехника. — 1995. №7-8. С. 81-83.

6. Пат. 2393597 Российская Федерация, Н 01 Q 21/24. Антенна [Текст] /Колесников В.Н., Мищенко С.Е., Шацкий В.В., Шацкий Н.В. //опубл. 27.06.10, Бюл. № 18. -.7 е.: ил.

7. Макурин М.Н., Кирьяшкин В.В., Чубинский Н.П. Эквивалентная схема, моделирующая входной импеданс биконической антенны //Труды III Всероссийской конф. «Радиолокация и радиосвязь». ИРЭ РАН. 26-30 октября 2009 г. С. 12-16.

8. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электрическим сканированием. Введение в теорию / Под ред. Л.Д. Бахраха. С.-Петербург. 2001.