30 Апр

ПЛОСКАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИИ И СВЯЗИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Использование сверхширокополосных сигналов в системах радиолокации и радиотомографии позволяет увеличить объем информации о зондируемых объектах, а в системах связи – увеличить скорость передачи данных и повысить помехозащищенность. Для этого требуются антенны, у которых входной импеданс и характеристики направленности сохраняются в допустимых пределах в полосе частот, достигающей двух и более октав. Если антенна используется как элемент антенной решетки, то она должна иметь минимально возможные размеры. Малоразмерные антенны имеют слабо зависящие от частоты характеристики направленности, но сильно меняющийся с частотой входной импеданс. Таким образом, задача сводится к тому, чтобы расширить полосу согласования в область нижних частот. Эта возможность реализуется в антеннах, представляющих собой комбинацию излучателей электрического и магнитного типов. В работе [1] описана комбинированная антенна, предназначенная для излучения мощных сверхширокополосных импульсов наносекундной длительности. Однако такая антенна имеет сложную конструкцию и требует наличия специальных технологий при ее производстве. В работе [2] предложен вариант конструкции комбинированной антенны, пригодной для изготовления печатным способом, однако полоса пропускания ее менее двух октав. Ниже описан вариант конструкции и приведены результаты численного моделирования и измеренные характеристики планарной сверхширокополосной антенны с полосой пропускания, превышающей три октавы.

Излучатели малых размеров характеризуются тем, что в ближней зоне преобладает запас электрической или магнитной энергии. Разность этих запасов определяет входной реактанс. Для согласования необходимо в первую очередь выровнять запасы этих энергий. Это можно обеспечить, если выполнить антенну в виде комбинации излучателей электрического типа и магнитного типа с совмещенными ближними зонами и общим входом. Один из возможных принципов построения антенны с расширенной полосой согласования поясняется рисунке 1. Антенна, содержащая монополь и противовес, имеет ненаправленную в одной плоскости диаграмму направленности (ДН) и узкую полосу согласования. Если монополь изогнуть так, как показано на рисунке, то образуется петля, которая является аналогом магнитного излучателя. Исполнение противовеса в форме уголка уменьшает габариты антенны и повышает направленность.

Рисунок 1. Принцип построения антенны с расширенной полосой согласования

Вариант конструктивной реализации этого подхода показан на рисунке 2. Антенна представляет собой пластину фольгированного стеклотекстолита размером 50´40´1 мм, на которой печатным способом выполнен изогнутый монополь 1, закрепленный в алюминиевом уголке 2 сечением 50´50 мм. Свободный от металла участок платы 3 является излучателем магнитного типа. Необходимые амплитудно-фазовые соотношения для возбуждения излучателей обоих типов задаются размерами участка 3 и щелевой линии 4 между концом изогнутого монополя и противовесом. Место возбуждения антенны обозначено точкой.

Рисунок 2. Внешний вид планарной антенны в уголковом отражателе: 1– монополь, 2 – противовес (отражатель), 3 – излучатель магнитного типа, 4 – несимметричный вариант антенны Вивальди

Результаты расчета коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) одиночного антенного элемента при длине алюминиевого уголка 40 мм приведены на рисинке 3 (кривая 1). Там же (кривая 2) приведен КСВН, измеренный с помощью скалярного измерителя коэффициентов отражения и пропускания Р2М-18 (ЗАО НПФ «Микран»). Наблюдается достаточно хорошее совпадение рассчитанной и измеренной зависимости КСВН от частоты. В модели не учтены потери в диэлектрике и металле, значительно усложняющие расчет, поэтому несколько различается поведение кривых.

Рисунок 3. Частотная зависимость КСВН: 1– результаты моделирования, 2– результаты измерений

При измерении ДН антенна возбуждалась биполярным импульсом напряжения длительностью 0.2 нс. Для каждого угла наблюдения с помощью стробоскопического осциллографа TMR8140 (НПП «Трим») зарегистрированы импульсы на выходе приемной антенны, в качестве которой использовался ТЕМ-рупор, напряжение на выходе которого пропорционально временной форме падающего поля. Временные формы возбуждающего импульса и импульса, излученного в направлении максимума ДН, показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Форма излученного импульса (1) и импульса на входе антенны (2)

Измеренные во временной области ДН антенны в двух плоскостях приведены на рисунке 5. Здесь под ДН понимается угловая зависимость максимума модуля напряженности электрического поля.

Рисунок 5. Диаграмма направленности при импульсном воздействии в Е-плоскости (1) и Н-плоскости (2)

На основе комбинации излучателей электрического и магнитного типов создан антенный элемент с полосой пропускания 1.2-18 ГГц. Максимальный размер элемента на нижней частоте не превышает 1/6 длины волны. Антенный элемент может быть использован для излучения импульсов субнаносекундной длительности в составе сверхширокополосной синтезированной апертуры [3] для радиолокации скрытых объектов [4].

Список литературы:

  1. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Комбинированная антенна с расширенной полосой пропускания // Радиотехника и электроника. – 2005. – Т.5. – 5. – С.585-594.
  2. Kwon D.-H., Balzovsky E. V., Buyanov Yu. I., Koshelev V. I., Kim Y. Small printed combined electric-magnetic type ultrawideband antenna with directive radiation characteristics // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. – 2008. – Vol. 56. – No. 1. –P. 237-241.
  3. Сатаров Р.Н., Кузьменко И.Ю, Муксунов Т.Р. и др. Коммутируемая сверхширокополосная антенная решетка для радиотомографии // Известия вузов. Физика. – 2012. – Т. 55. – №8. – С. 26-30.
  4. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков А.В. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. – Томск: Изд-во НТЛ, 2014. – 280 с.
    ПЛОСКАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДЛЯ РАДИОЛОКАЦИИ И СВЯЗИ
    Written by: Балзовский Евгений Владимирович, Буянов Юрий Иннокентьевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/24/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)
    Available in: Ebook