Исследование суммарной диаграммы антенной системы неконтактного датчика цели Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396

ИССЛЕДОВАНИЕ СУММАРНОЙ ДИАГРАММЫ АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ НЕКОНТАКТНОГО ДАТЧИКА ЦЕЛИ

Виталий Сергеевич Кулик

ОАО «НИИЭП», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 2-й категории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Валерий Борисович Ромодин

ОАО «НИИЭП», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

В статье исследована зависимость суммарного коэффициента усиления антенной системы неконтактного датчика от расстояния до цели. Выполнено экспериментальное подтверждение расчётных характеристик.

Ключевые слова: антенная система, диаграмма направленности, суммарный коэффициент усиления.

STUDY OF SUMMARY DIRECTIVITY PATTERN OF ANTENNA SYSTEM OF NONCONTACT TARGET SENSOR

Vitaly S. Kulik

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, engineer, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Valery B. Romodin

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, laboratory chief, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

In this paper has been investigated the dependence of the total gain of the antenna system of non-contact sensor from the distance to the target. Calculated characteristics have been confirmed experimentally.

Key words: antenna system, directivity pattern, total gain.

При проектировании антенной системы неконтактного датчика цели обычно предъявляются достаточно противоречивые требования. Датчик должен обеспечивать работу по большому парку целей с эффективной отражающей поверхностью от одной сотой до десятков квадратных метров. При этом дальность до цели может изменяться практически от нуля до 30...40 м. Для обеспечения работы на малых дальностях импульс передатчика излучается при открытом приемнике. Необходимый уровень развязки определяется потенциалом датчика, который должен быть достаточно большим для уверенной работы датчика по целям с малой ЭПР на больших дальностях. Соответственно, передающая и приемная антенны должны быть достаточно далеко разнесены друг от друга для обеспечения требуемой развязки приемника от сигнала пролаза. С другой стороны, при этом появляется «мертвая зона», которая может привес-

ти к отказу при малых промахах. В данной статье исследована одна конкретная суммарная диаграмма неконтактного датчика. Задачей исследования является выявление зависимости суммарного коэффициента усиления (КУ) антенной системы от расстояния до цели.

Антенная система неконтактного датчика цели состоит из двух антенн А (передающая) и В (приемная) с воронкообразными диаграммами направленности. Антенны разнесены друг от друга на расстояние 825 мм, при этом достигается уровень развязки между входами антенн 100...110 дБ. Угол наклона главного максимума диаграмм направленности антенн А и В равняется 74° и 67°, ширина главного максимума по уровню -3 дБ составляет 25° и 8° соответственно. На рисунке (Рис. 1) схематично изображены лучи главных максимумов диаграмм направленности заданной ширины.

Геометрические построения позволяют предположить нахождение максимума суммарной диаграммы направленности на расстоянии 6м и спадание уровня КУ на 6 дБ при уменьшении расстояния до 1,85 м.

Однако, простые геометрические соображения непригодны при дальнейшем уменьшении дальности. Для подробного изучения характеристик коэффициента усиления антенной системы на разных дальностях обе антенны смоделированы методом конечных элементов.

По результатам моделирования для каждой антенны выражены значения напряжённостей электрического поля на разных расстояниях от продольной оси антенной системы. Напряженности электрического поля переведены в коэффициенты усиления антенн А и В

В

А

Рис. 1. Основные лучи диаграмм направленности

„ 4тг Ё2г2

--~-, (1)

' гас/ 1' Л О

где г - дальность (м),

Е - напряженность электрического поля (В/м), Ргай - мощность излучения (принята за 1 Вт), 77 о - волновое сопротивление вакуума.

Суммарный коэффициент усиления антенной системы найден как произведение коэффициентов усиления отдельных антенн в заданной точке.

^О^ОяС (2)

где О а , Ов - коэффициенты усиления антенн (дБ).

Используя полученные данные, можно проверить правильность ранее высказанных геометрических предположений, точный расчет дает значение снижения суммарного КУ

04>мУ0 <,85 м > 5,1 дБ. (3)

Предсказанное геометрически ослабление в 6 дБ оказались очень близко к расчётному результату.

При дальнейшем уменьшении дальности происходит значительное снижение суммарного КУ, связанное с расхождением главных максимумов антенн.

Проведена проверка полученных теоретических данных на практике. На вход антенны А подаётся зондирующий сигнал, который после отражения от

л

металлической сферы диаметром 25 см с ЭПР 0,05 м измеряется на выходе антенны В. Все измерения проводились в безэховой камере с использованием векторного анализатора цепей "Микран Р4М-18". Значение полученного отражённого сигнала преобразовано в суммарный коэффициент усиления и нормировано к теоретическому значению на максимальной измеренной дальности 2,5 м.

О„ (г ) = 10-1ов( Г 4-1010), (4)

где г - дальность (м),

б21 - значение принятого сигнала (дБ),

Ргай - мощность излучения (принята за 1 Вт).

На рис. 2 представлены результаты измерений диаграмм направленности антенн в сравнении с теоретическими расчётами.

Результатом данного исследования стало получение зависимости коэффициента усиления антенной системы от дальности, снижение КУ достигает 40 дБ, кроме того, наблюдается смещение главного максимума суммарной диаграммы направленности с 67° до 80°. Если такое поведение антенной системы не устраивает разработчика датчика, следует использовать меньшую базу между антеннами с соответствующим уменьшением потенциала системы.

24

20

16

12

8

4

И 0

-4

м -8

-12

- 16

-20

-24

-28

-32

0 .6 4

4 «

/ *

А Г

у /

/

-КУ расчетный • • Эксперимент 1

0.1

1. ы

10

Рис. 2. Зависимость суммарного КУ от дальности

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Ромодин В.Б. Матрица рассеяния волноводно-щелевой антенны // Системы и средства передачи информации / Сборник научных трудов учебных институтов связи.-Л.:1985. С.49-54.

2. Клюев В.М., Кордо А.Д., Ромодин В.Б. Проектирование волноводно-щелевых антенн на нерезонансных излучателях // Теория и техника антенн // Тезисы докладов 22 Всесоюзной научно-технической конференции.- М.: 1981. С.234.

© В. С. Кулик, В. Б. Ромодин, 2015