Несимметричная вибраторная антенна на основе фазокорректирующей диэлектрической линзы

Полный текст

Введение

Для повышения устойчивости и надежности радиосвязи в широкой полосе частот для управления и обмена информацией между специальными малогабаритными роботизированными комплексами (например, беспилотными летательными аппаратами) и пунктом управления необходимо изыскивать возможности повышения энергетического потенциала на интервале роботизированное устройство – пункт управления. Вариантом технического решения увеличения уровня сигнала на интервале могут являться разработка и внедрение малогабаритных, экономичных антенных устройств с повышенным уровнем излучаемой электромагнитной энергии [1; 2], построенных на базе линзовых структур различной конфигурации, исполненных из современных диэлектрических материалов. В частности, для повышения энергетического потенциала полноазимутальных антенн используются линзы различного типа [3–7].

1. Вариант полноазимутальной антенны

В статье предложен вариант полноазимутальной антенны, конструкция которой основана на фазокорректирующем свойстве диэлектрической цилиндрической линзы [8].

Антенна представляет собой цилиндр из полистирола с воронкообразным (гиперболическим) отверстием, плечо несимметричного вибратора конической формы (ориентированное вертикально по оси симметрии в отверстии цилиндра), которые закреплены на металлизированной круглой подложке, выступающей в роли основания конструкции и области нулевого потенциала для вибраторной антенны. Общий вид и геометрические размеры представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Вид антенны: а – сверху; б – снизу; в – в разрезе

Fig. 1. Antenna view: a – from above; b – from below; c – in section

 

Круглая металлическая подложка диаметром, равным диаметру цилиндра линзы, выполнена из тонколистовой меди.

Питание антенны организуется подключением фидерной линии с волновым сопротивлением 50 Ом (центральная жила коммутируется к вершине конуса, оплетка – к поверхности медной подложки).

Тело линзы антенны возможно исполнить при помощи FDM-технологии, при промышленном производстве – методом литья под давлением.

2. Результаты численного эксперимента

На рис. 2–5 приведены результаты численного анализа характеристик антенны, произведенного в полосе частот от 1 ГГц до 21 ГГц.

 

Рис 2. Зависимость коэффициента направленности и коэффициента усиления антенны от частоты

Fig. 2. The dependence of the directivity and antenna gain on frequency

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты

Fig. 3. Standing wave ratio versus frequency

 

Рис. 4. Результаты численного моделирования: а – комплексное сопротивление (Z, Ом) в исследуемой полосе частот; б – диаграмма Вольперта – Смита

Fig. 4. Numerical simulation results: a – complex impedance (Z, Ohm) in the investigated frequency band; b – Wolpert–Smith diagram

 

Рис. 5. Расчетный вид диаграммы направленности на рабочей частоте 5,6 ГГц

Fig. 5. Calculated view of the radiation pattern at the operating frequency of 5,6 GHz

 

Расчетные значения коэффициента усиления в указанном диапазоне варьируются от 4 до 13 дБ. Причем на частотах диапазона 2,4–5,6 ГГц (который в настоящий момент используют для организации прямых широкополосных каналов радиосвязи с роботизированными комплексами) коэффициент усиления изменяется в пределах 5,5–9 дБ, что в 2–3 раза превосходит по данному параметру часто применяемые штыревые антенны.

Коэффициент стоячей волны почти во всем исследуемом диапазоне в целом находится в пределах от 1 до 2, что подтверждает работоспособность разработанной модели антенны в широкой полосе частот.

Импедансная характеристика и диаграмма Вольперта – Смита показали предварительный расчетный разброс входного сопротивления антенны от 30 до 95 Ом, что скажется на согласовании антенны с пятидесятиомным фидерным трактом. Данный разброс, как вариант, возможно компенсировать подключением согласующего трансформатора.

Использование подстилающей металлизированной подложки в сочетании с фазокорректирующей линзой позволили получить предварительную расчетную диаграмму направленности квазитороидальной формы, усеченной в горизонтальной плоскости (рис. 5). Диаграммы направленности в угломестной плоскости для всех рассмотренных рабочих частот приведены в таблице.

 

Табл. Диаграммы направленности по углу места

Table. Диаграммы направленности по углу места

 

Окончание Табл.

End of the Table

 

Для оценки габаритно-массовых показателей на основе разработанной модели антенны с использованием технологии FDM был исполнен действующий макет, изображенный на рис. 6. Масса антенного устройства составила 126,22 г.

 

Рис. 6. Действующий макет антенны

Fig. 6. Active antenna layout

 

Заключение

1. Полученные габаритно-массовые параметры предоставляют возможность разместить разработанную антенну на роботизированном устройстве среднего класса без ощутимого влияния на общие габариты и массу конструкции.
2. По расчетным значениям коэффициента усиления, импедансной характеристике, значениям коэффициента стоячей волны представленная модель антенны способна конкурировать со штыревыми антеннами, применяемыми в известных образцах роботизированной техники [9], хотя несколько проигрывает в массе (что, естественно, диктуется наличием линзы).
3. Полученная диаграмма направленности позволяет спрогнозировать возможность применения данной антенны в составе оборудования канала передачи данных роботизированных комплексов, так как реализуется режим полноазимутального излучения с относительно высоким уровнем.

Перспективу работы с данной моделью антенны авторы видят в уменьшении габаритно-массовых параметров линзового устройства и улучшении условий согласования за счет внесения структурных изменений на поверхностях линзы.

Об авторах

Дмитрий Сергеевич Алиев

ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Email: for_registr_only@mail.ru

научный сотрудник научно-исследовательского отдела 

Россия, Воронеж

Александр Владимирович Иванов

ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Email: ivanovalexandr7070@mail.ru

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела 

Россия, Воронеж

Юрий Геннадиевич Пастернак

Воронежский государственный технический университет

Email: pasternakyg@mail.ru

доктор технических наук, профессор кафедры радиоэлектронных устройств и систем 

Россия, Воронеж

Владимир Андреевич Пендюрин

АО НПП «Автоматизированные системы связи»

Email: pva@acc-npp.com

генеральный директор 

Россия, Воронеж

Егор Сергеевич Чесноков

ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Автор, ответственный за переписку.
Email: vaiu@mil.ru

курсант 

Россия, Воронеж

Список литературы

Дополнительные файлы