Анализ существующих конструкций антенных элементов пеленгаторных решеток

УДК 621.396.67

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПЕЛЕНГАТОРНЫХ РЕШЕТОК

К.О. Волков, Ю.Г. Пастернак, К.А. Разинкин, С.М. Фёдоров

Рассмотрены характеристики и особенности конструкции различных антенн, по своим параметрам подходящих для использования в качестве элементов в пеленгаторных решетках

Ключевые слова: радиопеленгаторы, широкополосные антенны

Процедура определения местонахождения источника радиоизлучения, как правило, является сложным, многоступенчатым процессом. Радиопеленгаторы, размещённые в контролируемой области пространства, позволяют, при использовании метода триангуляции, обнаруживать источник радиоизлучения с точностью до нескольких километров (обычно эта величина составляет (1^3)% от расстояния между радиопеленгаторами). Положение источника радиоизлучения может быть определено и более точно - например, при помощи радиопеленгаторов мобильного (или бортового) базирования, а также - с помощью портативных радиопеленгаторов, позволяющих обнаруживать и измерять параметры источников, расположенных на расстоянии в нескольких сотнях метров.

Целью работы является обзор типов ра-диопеленгаторных антенных элементов и их конструкционных параметров, а также рассмотрение примеров их технологической реа-лизации[1-11].

Одной из широко используемых в радио-пеленгационных комплексах конструкцией антенны является печатная антенна Вивальди, способная функционировать в сверхширокой полосе частот (рис. 1). При составлении решетки из подобных антенн и достаточно малом (меньшем половины длины волны на самой высокой частоте рабочего диапазона) расстоянии между ними, их взаимная связь улучшает согласование антенны в составе антенной решетки. Это свойство позволяет строить сверхширокополосные кольцевые пеленгаторные решетки с хорошим согласованием и удовлетворительными направленными свойствами в сверхширокой полосе частот [1].

Волков Константин Олегович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(908) 141-76-34

Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-77-29

Разинкин Константин Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 241-85-35 Фёдоров Сергей Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(904) 210-05-35

излучающая часть питающая

антенны Вивальди ЩЛ к«-»-ь«-

диэлектрик

направление излучения

я

IV,

к

Сь, К м

О

с и

VI

Рис. 1. Конструкция антенны Вивальди для частоты 1-2 ГГц [2]

Одиночная антенна Вивальди обладает достаточно хорошим согласованием входного сопротивления и начинает эффективно излучать электромагнитные волны при ширине щели > X/ 2 [1]. Длина щели на нижней частоте при использовании подложки, сделанной из оксида алюминия составляет 0,72Х [1]. Ширина диаграммы направленности антенны Вивальди составляет 180° в Н-плоскости и 70° в Е-плоскости для апертуры шириной Х/2 [1]. При ширине апертуры X ширина главного лепестки в Е- и Н-плоскости составляет 60° и 70° соответственно. Для аппретуры размером 1,5 X и больше ширина диаграммы направленности примерно одинаковая в обеих плоскостях [1]:

Зависимость ширины луча от ширины апертуры

Апертура (X) 1,5 2 2,5 3 3,5

Ширина луча (град.) 50 42 38 33 31

Антенны Вивальди обладают довольно высоким уровнем боковых лепестков в Е- плоскости, составляющем примерно -5 дБ. Поверхностная волна формируется в неоднородной щелевой линии, в которой одновременно распространяется несколько типов электромагнитных волн, что может приводить к созданию значительной составляющей поля с паразитной поляризацией, содержащей до 20-30% излучае-

мой мощности [1]. Уровень кросс-поляризации можно уменьшить, уменьшив толщину диэлектрической подложки, однако это приведет к увеличению ширины главного лепестка [1]. Частичное удаление диэлектрика (например, созданием в нем отверстий) приводит к уменьшению боковых лепестков без уширения луча [1].

КНД антенны Вивальди задается по формуле [3]:

D к 10Ц/Я0,

где Ц к (3 - 8)Я0 - длина антенны; Я0 - длина волны в середине рабочего диапазона. Толщина диэлектрической подложки t выбирается для заданной диэлектрической проницаемости 8 по формуле [4]:

^

/== т.

/ А

teff / л к / Яо

где teff / Я - эффективная толщина диэлектрической подложки, нормированная на Я0. Значение teJf /Я0 по возможности должно

быть в оптимальном диапазоне от 0,0025 до 0,0028. Нижнее значение эффективной толщины соответствует минимуму боковых лепестков, а верхнее - максимуму КНД [5].

Геометрия раскрыва щели антенны Вивальди является важной характеристикой, влияющей на сопротивление антенны. Форму рас-крыва можно описать следующей формулой [6]:

у = С^ + С2,

где коэффициенты С1 и С2 выбираются таким образом, чтобы экспоненциальный раскрыв проходил через точки с координатами (у1, и (у2 , г2), находящиеся точно в начале и конце раскрыва соответственно, и рассчитываются по формулам (рис. 1):

С, =

С =

У 2 - У

еКн - е^ '

У2еК'2 - уе*

Яг Яг

е 2 - е *

где Яг - коэффициент раскрыва щели.

Другой антенной, часто используемой в радиопеленгаторных антенных решетках является разработанная в 1950 году [1] логоперио-дическая антенна (рис. 2). Такая антенна способна работать в диапазоне частот, характеризующемся коэффициентом частотного перекрытия до 100 [1], и строится путем поочередного масштабирования каждого элемента, согласно коэффициенту масштабирования т , определяемого по формуле [1]:

На рис. 2 длина диполей обозначена как Ln, концы диполей лежат на прямых, образующих мнимую вершину. Расстояние от мнимой вершины до диполя обозначено величиной Яп,

дистанция между элементами - dn. Для построения логопериодической антенны необходимо также задать межэлементный коэффициент [1]:

а

21

Рис. 2. Логопериодическая вибраторная антенна

От приведенных выше коэффициентов зависит коэффициент усиления антенны и ширина луча (приблизительно равная 70° в Е-плоскости и 110° в Н-плоскости). Также коэффициент усиления находится в прямой зависимости от числа элементов логопериодической антенны.

Далее, с помощью эмпирических формул, рассчитывается нижний К1 и верхний К2 коэффициенты отсечения:

К1 = 1,01 - 0,519т,

К2 = 7.08т3 - 21,3т2 + 21,98т- 7,3 +

+ а

Длину наибольшего и наименьшего диполя определяем по формулам Ц = К1ЯЦ и

LU = К2Хи, где и Хи длина волны на низшей и высшей рабочей частоте соответственно. Зная коэффициенты К1, К2 и частотный диапазон, в котором работает проектируемая антенна, определим количество элементов антенны: 1се

N = 1 + -

logт

Осевая длина антенны вычисляется по формуле:

D = R1 -^ = R1

1 -т

Первое межэлементное расстояние определяется как d' = 2аЬх. Расстояние от вершины до текущего элемента вычисляется по формуле Я = . Зная параметры Ь,, Я, и d' мы ите-

п -х 1 1 1

1-т

рационно получаем значения этих же параметров для остальных диполей:

ьп =тп-%, яп =тп--р, ап =тп-Ц.

При построении решетки из логопериоди-ческих антенн могут появляться узкополосные провалы коэффициента усиления. Частотный интервал между провалами соответствует коэффициенту масштабирования антенны т , но саму частоту провала предсказать сложно. Причиной такого падения коэффициента усиления являются наведенные на фидер несимметричные токи, которые, взаимодействуя с элементами антенны, генерируют кросс-поляризованное случайно-направленное излучение. Эти нежелательные токи наводятся на фидер вследствие асимметрии антенн или взаимодействием между антеннами в решетки [1].

Также, логопериодические вибраторные антенны нежелательно размещать в антенной решетке с периодом, меньшим половины длины волны нижней рабочей частоты - в таком случае качество их согласования с питающей линией и направленные свойства ухудшаются [7].

ТЕМ- рупоры (рис. 3), как элементы кольцевой радиопеленгаторной решетки могут оказаться предпочтительнее т.к., обладая высокой направленностью, они оказывают слабое влияние друг на друга [7]. На уменьшение взаимной связи элементов по внешнему полю сказывается также и тот факт, что подавляющая доля энергии поля в каждом антенном элементе содержится в пространстве между полосками ТЕМ- рупора.

Конструкция ТЕМ- рупора определяется тремя параметрами: длиной пластин, образующих рупор £, а - угловым размером пластины, ¡3 - углом между пластинами. Длина пластины в основном задает нижнею границу рабочего диапазона. При выборе угловых размеров ТЕМ- рупора необходимо учитывать следующее обстоятельство. В треугольных пластинах у токов есть два предельно отличающихся пути: прямо по центру и по кромке. Если задержка токов, протекающих по кромке будет достаточно большой, то волны могут придти к точке запитки в противофазе, тем самым сильно ослабляя выходной сигнал. Такая проблема возникает, если ширина пластин намного больше их длины, поэтому обычно у ТЕМ- рупоров параметр £ в несколько раз больше параметра а [8].

В качестве альтернативы антенному элементу в виде ТЕМ- рупора используют бикони-ческую антенну, представляющую собой конструкцию из двух конусов, лежащих на одной оси, вершины которых направлены друг на друга [11]. Такая антенна демонстрирует хорошие широкополосные свойства при значении угла конусов, лежащем в диапазоне от 60° до 120°. Диаграмма направленности биконуса в азимутальной плоскости представляет собой круг. Коэффициент усиления биконического рупора можно примерно определить по формуле [1]: К1 = 1,01 - 0,519т,

где Ь - высота конуса.

При составлении эквидистантой кольцевой решетки из биконических антенн мы получим диаграмму направленности в виде достаточно узконаправленных лучей, число которых равно числу антенных элементов, что является нежелательным при радиопеленгации, т.к. некоторые области пространства оказываются вне рабочей зоны радиопеленгатора [10].

В работе [11] для трансформации входного сопротивления печатного биконического вибратора предложено использовать покрытие в виде искусственного диэлектрика. Применяемый искусственный диэлектрик представляет собой покрытие в виде металлических рамок квадратной формы или сплошных квадратных пластин с размерами, существенно меньшими длины волны (рис. 4).

а)

N 1 1

Л 1 1 К

б)

Рис. 4. Плоский биконический вибратор со стороной 160 мм с покрытием в виде рамок (а), геометрия рамок (б). Материал подложки - Rogers 4003, толщина - 0.508 мм

Предложенное покрытие позволяет, улучшить качество согласования и существенно снизить среднее значение входного сопротивления плоского биконического вибратора: со 150 Ом до, приблизительно, 50 Ом, рис. 5, что очень удобно для согласования антенны с фидерной линией со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом.

Также использование искусственного диэлектрика в виде покрытия плоского бикониче-ского вибратора позволяет компенсировать глубокий провал в диаграмме направленности в направлении нормали к плоскости вибратора в высокочастотной области исследуемого диапазона, от 2.5 до 3 ГГц.

Литература

1. Thomas Milligan. Modern antenna design - 2nd ed. A John Wiley & Sons, Inc., Publication. 2005.

2. Ашихмин А.В. Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля: дисс. д-ра техн. наук: М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.

3. K.S. Yngvesson, D.H. Schaubert, T.L. Korzeniowski, et all. Endfire Tapered Slot Antennas on Dielectric Substrates // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1985. Vol. 33. No12. P. 1392-1400.

4. C. T. Rodenbeck, S. G. Kim, et all. Ultra-wideband low-cost phased array radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques. 2005. Vol.53. No12. P. 36973703.

5. В.Ю. Куприц, А.А. Мещеряков. Оптимизация расположения антенных элементов Вивальди // Доклады ТУСУРа. Июнь 2010. № 1(21), часть 2. С. 45-49.

6. И.Г. Рязанов, А.А. Бякин, О.А. Белоусов. Анализ и синтез широкополосной планарной щелевой антенны с экспоненциальным изменением ширины щели для систем широкополосного доступа // Университет им. В.И. Вернадского. № 2(46). 2013. С. 297-306

7. Н. А. Ефимова. Исследование рупорно-линзовой TEM-антенны как элемента кольцевой решетки // Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 68.

8. Chriss A. Grosvenor, Robert T. Johnk, David R. No-votny, et all. TEM Horn Antenna Design Principles // NIST Technical Note 1544. January 2007. 83 p.

9. Chinchu G. Nair, A.K. Prakash, Kuruvilla George. Study on the Radiation Mechanism and Design of a TEM Horn Antenna // International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering. April 2014. Vol. 3, Issue 4, P. 8582-8587.

10. C. Subba Rao, A. Sudhakar. Biconical Ring Antenna Array for Wide Band Applications // International Journal of Engineering Science and Technology. February 2012. Vol. 4, No.02, P. 758-763.

11. A. S. Avdushin, A. V. Ashikhmin, Yu. G. Pasternak, S.M. Fedorov. Use of artificial dielectric for improvement of printed biconical vibrator matching // American Journal of Electromagnetics and Applications, № 2(6), 2014. P. 49-52.

Воронежский государственный технический университет

ANALYSIS OF EXISTING STRUCTURES OF ANTENNA ELEMENT FOR DF ARRAYS K.O. Volkov, Yu.G. Pasternak, K.A. Razinkin, S.M. Fedorov

The characteristics and features of different antennas suitable for use as elements in the DF array are reviewed Key words: direction finders, broadband antenna