CC BY
46
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
/
* /
«
Ю.В. Белозерцев,
АО ВНИИ «Вега», г. Воронеж
Воронежский государственный доктор технических наук, технический университет доцент
В.В. Вереитин,
А.И. Климов,
МЕТОД ОСЛАБЛЕНИЯ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СКАНИРУЮЩЕЙ КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
ДИАПАЗОНА ВЧ
METHOD FOR ATTENUATING THE MUTUAL INFLUENCE OF ELEMENTS OF A SCANNING CIRCULAR ANTENNA ARRAY
Приведены результаты разработки и исследований сканирующей кольцевой антенной решетки для систем радиосвязи диапазона ВЧ. Предложен метод ослабления взаимного влияния элементов решетки, основанный на коррекции фазового распределения токов в элементах, позволяющий исключать появление отрицательного активного входного сопротивления элементов и эффективно решать задачу их согласования с фидерами.
The results of the development and research of a scanning circular antenna array for HF radio communication systems are presented. A method for attenuating the mutual influence of array elements is proposed. It is based on correcting the phase distribution of currents in the elements, enabling to eliminate the appearance of negative active input resistances of the elements and to effectively solve the problem of their matching with the feeders.
Кольцевые антенные решетки (КАР) из электрических вибраторов довольно широко используются в качестве пассивных или активных антенн с азимутальным сканированием диаграммы направленности (ДН), например, в системах радиомониторинга и радиосвязи диапазона ВЧ [1, 2]. Пример подобной 8-элементной КАР для стационарного центра радиосвязи диапазона ВЧ иллюстрируется рис. 1, на котором обозначено: 1—8 — элементы КАР в виде вертикальных несимметричных электрических вибраторов объемного типа; Я — радиус КАР; в, ф — угловые координаты направления излучения; е, о — относительная диэлектрическая проницаемость и удельная электрическая проводимость подстилающей поверхности (почвы); экран — металлизированная площадка под излучателями; rs — радиус площадки. КАР рассчитана для работы в режиме дискретного по азимуту фазового сканирования ДН с формированием 8 угловых направлений с шагом 45°, при котором обеспечивается заданное перекрытие главных лепестков ДН в соседних азимутальных положениях в полосе частот от 6 до 25 МГц.
Рис. 1. Размещение КАР на местности
Применительно к случаю расположения КАР в свободном пространстве фазы токов Фп в элементах, обеспечивающие формирование ДН в заданном азимутальном направлении фо, рассчитываются по известной формуле [3]:
Фп(фоо)=-кЩсо8(фоо-а.п)-со8(фоо))+2жр, (1)
где п=1; ...; N — номера элементов; Я — радиус решетки; о.п=2ж(п-1)/Ы — угловое положение п-го элемента; к=2п/Х — волновое число свободного пространства; X — рабочая длина волны;р = 0; ±1; ±2;... . Для осуществления дискретного азимутального сканирования ДН удобно использовать решетку из четного числа элементов и выбирать направления, определяемые, в частности, углами фо=ап. В этом случае для заданной рабочей длины волны достаточно рассчитать один набор значений фаз для угла фо=0 и затем для дискретного сканирования ДН с угловым шагом Аф=а.п использовать простой поворот полученного фазового распределения по элементам решетки. Но при этом направление главного лепестка ДН будет проходить через пару диаметрально расположенных элементов, так что один из элементов пары по отношению к остальным элементам окажется в наиболее неблагоприятном состоянии в смысле влияния формируемых ими полей на его входное сопротивление и, сле-
довательно, на степень согласования с фидером. Существующая теория кольцевых (цилиндрических) решеток [3—6] не дает простого ответа на вопрос о том, как обеспечить согласование элементов решетки с фидерами. Вместе с тем этот вопрос имеет первостепенное значение в случае диапазонной передающей КАР, особенно при сканировании ее ДН. Проблема заключается в том, что из-за взаимного влияния электромагнитных полей элементов решетки активные компоненты входных сопротивлений отдельных элементов Re{Zin} оказываются существенно отличными от рассчитанных для уединенного элемента или, что еще хуже, приобретают отрицательные значения. Этот эффект практически неизбежен в длинноволновой области рабочей полосы антенны, когда расстояние между элементами решетки оказывается много меньшим рабочей длины волны. В свою очередь, появление отрицательной компоненты входного сопротивления формально приводит к отрицательным значениям так называемого активного коэффициента стоячей волны напряжения (КСВ) в фидерах цепей питания элементов. Это делает невозможным согласование с фидерами и вынуждает, например, отключать соответствующие элементы, что приводит к снижению мощности излучения КАР, искажению формы ее ДН и снижению коэффициента направленного действия (КНД) и коэффициента усиления
(КУ).
В связи с этим в данной работе предложен и апробирован метод ослабления взаимного влияния элементов решетки и устранения эффекта появления отрицательных активных компонент входных сопротивлений, предполагающий корректировку расчетных значений фаз токов в элементах КАР по довольно простому правилу, поясняемому следующим примером. Так, в случае КАР из четного числа элементов (например, N=8) при дискретном сканировании ДН направления ее главного лепестка проходят через пары элементов 1—5, 2—6, 3—7 и т.д. Пусть при этом ток в п-м элементе (расположенном на направлении главного лепестка ДН) имеет нулевую начальную фазу. Как показали многочисленные вычислительные эксперименты, активная компонента входного сопротивления именно этого элемента может приобретать отрицательное значение. Для устранения данного явления нами предложен метод, предполагающий коррекцию фазового распределения токов в элементах КАР следующими способами: либо выполнением расчетов требуемых значений фаз токов для частоты, несколько меньшей (на 10—20%) рабочей, либо изменением расчетных значений фаз токов в остальных N-1 элементах:
Фпкорр. (фд) = Фпрасч.(фо)-АФ, (2)
где АФ<Ф„+1=Ф„-1; Фп+1=Фп-1 — значения фаз токов в соседних (слева и справа) по отношению к п-му элементах.
Приведенные ниже результаты компьютерного моделирования иллюстрируют эффективность предложенного метода на примере 8-элементной КАР с радиусом R=6,5 м, составленной из объемных вертикальных несимметричных вибраторов высотой 7 м, размещенных на поверхности почвы с относительной диэлектрической проницаемостью £=15 и электрической проводимостью а=0,005 См/м. В качестве экрана, обеспечивающего снижение потерь в почве и повышение коэффициента полезного действия антенны в низкочастотной области рабочей полосы, использована металлическая сетка с квадратными ячейками, имеющая диаметр 50 м. В представленной далее таблице приведена часть результатов моделирования для частот 7—13 МГц в виде расчетных и скорректированных значений фаз токов в элементах КАР для угла отклонения ДН фо=0°, соответствующих исходных и полученных после коррекции фаз значений активных компонент входного сопротивления
Яв^м} элемента с п=1 и худших значений КСВ в фидерах с волновым сопротивлением 50 Ом. Для частот 6 и 6,5 МГц скорректированные значения фаз для снижения КСВ одинаковы и рассчитаны для фазирования КАР на частоте 4 МГц (в таблице не приведены). Для частот 16—25 МГц расчетные значения фаз изменять не потребовалось.
Результаты коррекции фазового распределения
/ Фпрасч. (фо), град Яв }расч. Худший
МГц Фпкорр. (ф о), град Ом активный
N Яв } корр КСВ расч.
1 2 3 4 5 6 7 8 Ом Худший активный КСВ корр.
7,0 0 15 55 95 110 95 55 15 2,2 -36,7
0 0 40 80 95 80 40 0 20 8,8
7,5 0 15 60 100 120 100 60 15 -10 -27,7
0 0 45 85 105 85 45 0 17 19
8,0 0 20 60 105 125 105 60 20 -31 -19
0 0 40 85 105 85 40 0 159 15,8
8,5 0 20 65 115 135 115 65 20 -48 -31,3
0 0 45 95 115 95 45 0 509 13,2
9,0 0 20 70 120 140 120 70 20 39 144,5
0 0 50 100 120 100 50 0 322 9,8
10 0 25 80 135 155 135 80 25 711 23,7
0 25 55 110 130 110 55 0 321 8,4
11 0 25 85 145 170 145 85 25 400 75,1
0 0 60 120 145 120 60 0 180 16,1
12 0 30 95 160 190 160 95 30 -65 -28,5
0 0 65 130 160 130 65 0 46 17,3
13 0 30 100 185 220 185 100 30 -7 -78
0 0 70 155 190 155 70 0 37 13,2
Из представленных в таблице данных видно, что предложенный метод дает ощутимый положительный эффект в отношении улучшения согласования элементов КАР, причем не только в случае появления отрицательной активной компоненты входного сопротивления, но и в случаях чрезмерно низкого или высокого положительного ее значения. После коррекции фаз худшие значения КСВ в фидерах оказались не превышающими 19, что обеспечивает вполне нормальное функционирование антенно-согласую-щих устройств. Применение описанного выше метода коррекции фазового распределения не приводит к заметному искажению формы ДН КАР — в среднем КНД снижается всего на несколько десятых долей децибела. В подтверждение данного факта в качестве примера приведены графики частотных характеристик активных компонент входных сопротивлений элементов КАР (рис. 2 и 3) и КСВ в фидерах до и после коррекции значений фаз (рис. 4 и 5), а также ДН в меридиональной плоскости (рис. 6 и 7), полученные путем компьютерного моделирования на частоте 8 МГц. На рис. 6 и 7 обозначено: DirTotal — КНД; GainTotal — КУ без учета рассогласования излучателей с фидерами; Real-izedGainTotal — КУ с учетом рассогласования излучателей с фидерами.
ХУ РО 9
НР88Эе8|дп1
700.00600.00500.00 -
400.00-
N <и
от
<и 300.00 -
>
<200.00
100.00 -0.00^ -100.00
Ыате X У
т1 8.0000 -30.9784
т2 8.0000 94.9262
Оигуе !п!о
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_1_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_2_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_3_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_4_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_5_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_6_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_7_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Ре^апд!е2_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2_
6.00 ' ' 7.00 ' ' 8.00 ' 9.00 ' ' 10.00' ' 11.00 ' ' 12.00' ' 13.00 ' ' 14.00 ' 15.00
Ргея [М№]
Рис. 2. Частотные характеристики активных компонент входных сопротивлений элементов КАР до коррекции значений фаз
л\
ДИЗОГГ
ХУ РЫ 9
НР88Эе8|дп1
500.00-
400.00-
300.00 Ч
с:
N <и
ф200.00Ч
>
-ь-'
о <
100.00 4
0.00 -I
-100.00-
Ыате X У
т1 8.0000 36.2313
т2 8.0000 159.8281
Ои^е !п!о
— ге(Дс1:1уе7(Рес1апд!е2_1_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дс1:1уе7(Рес1апд!е2_2_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дс1:1уе7(Рес1апд!е2_3_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Рес1апд!е2_4_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Рес1апд!е2_5_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Рес1апд!е2_6_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Рес1апд!е2_7_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2
— ге(Дсйуе7(Рес1апд!е2_Т1)) 8е1:ир1 : 8шеер2_
6.00 7.00 8.00 9.00
10.00 11.00 Ргея [МНи]
12.00 13.00 14.00 15.00
Рис. 3. Частотные характеристики активных компонент входных сопротивлений элементов КАР после коррекции значений фаз
▲ Д№ОГГ
20.00
0.00 н
>-20.00 —
со >
ХУ РМ 11
НР880е8|дп1
!-40.00-
-60.00-
-80.00
6.00
Оыгуе nfo
— ActiveVSWR(Rectang!e2_1_T1) Эе!ир1 : Sweep2
ActiveVSWR(Rectang!e2_2_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_3_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_4_T1) Setup1 : Sweep2
- ActiveVSWR(Rectang!e2_5_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_6_T1) Setup1 : Sweep2
- ActiveVSWR(Rectang!e2_7_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_T1) Setup1 : Sweep2_
№тэ X У
т1 8.0000 -19.0351
т2 8.0000 7.9973
7.00
8.00
9.00
10.00 ' 11.00 Fгeq [М№]
12.00 13.00 14.00 15.00
Рис. 4. Частотные характеристики активных КСВ в фидерах элементов КАР
до коррекции значений фаз
ХУ РО 11
20.00-
0.00-1
:-20.00 -
со >
«5^-40.00 -
-60.00 -
-80.00
-т2-
6.00 ' 7.00
HFSSDesign1
— ActiveVSWR(Rectangle2_1_T1) Setup1 : Sweep2
ActiveVSWR(Rectang!e2_2_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectangle2_3_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_4_T1) Setup1 : Sweep2
- ActiveVSWR(Rectangle2_5_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_6_T1) Setup1 : Sweep2
- ActiveVSWR(Rectangle2_7_T1) Setup1 : Sweep2
— ActiveVSWR(Rectang!e2_T1) Setup1 : Sweep2_
X У
т1 8.0000 1.1087
т2 8.0000 15.7840
8.00
9.00
' 10.00 ' 11.00 Fгeq [МНг]
12.00 13.00 14.00 15.00
Рис. 5. Частотные характеристики активных КСВ в фидерах элементов КАР
после коррекции значений фаз
«М50ГТ
Рис. 6. ДН КАР до коррекции значений фаз
Рис. 7. ДН КАР после коррекции значений фаз
Описанный выше метод ослабления взаимного влияния элементов решетки, основанный на коррекции фазового распределения токов в элементах, был апробирован и на примере КАР из нечетного числа элементов (N=9, Я=8 м) в полосе частот 6—25 МГц. Получен аналогичный положительный эффект при формировании ДН в девяти азимутальных направлениях, проходящих через центры пар соседних элементов решетки.
Таким образом, предложенный метод обеспечивает:
1) использование всех элементов передающей КАР при сканировании;
2) ослабление взаимного влияния элементов диапазонной сканирующей КАР в степени, достаточной для согласования элементов с фидерами с помощью существующих антенно-согласующих устройств;
3) незначительное искажение ДН и весьма малое снижение КНД КАР.
В дальнейшем предполагается исследовать эффективность предложенного метода в отношении многоэлементных КАР.
ЛИТЕРАТУРА
1. Березовский В. А., Дулькейт И. В., Савицкий О. К. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы. — Москва : Радиотехника, 2011. — 444 с.
2. Головин О. В., Простов С. П. Системы и устройства коротковолновой связи / под ред. О. В. Головина. — Москва : Горячая линия — Телеком, 2006. — 598 с.
3. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток : учеб. пособие для вузов / Д. И. Воскресенский [и др.] ; под ред. Д. И. Воскресенского. — Москва : Радиотехника, 2012. — 744 с.
4. Антенные решетки / Л. С. Бененсон [и др.] ; под ред. Л. С. Бененсона. — Москва : Сов. радио, 1966. — 386 с.
5. Хансен Р. С. Фазированные антенные решетки. Второе издание. — Москва : Техносфера, 2012. — 560 с.
6. Коротковолновые антенны / Г. З. Айзенберг [и др.] ; под ред. Г. З. Айзенберга. — Москва : Радио и связь, 1985. — 536 с.
REFERENCES
1. Berezovskiy V. A., Dulkeyt I. V., Savitskiy O. K. Sovremennaya dekametrovaya ra-diosvyaz: oborudovanie, sistemyi i kompleksyi. — Moskva : Radiotehnika, 2011. — 444 s.
2. Golovin O. V., Prostov S. P. Sistemyi i ustroystva korotkovolnovoy svyazi / pod red. O. V. Golovina. — Moskva : Goryachaya liniya—Telekom, 2006. — 598 s.
3. Ustroystva SVCh i antennyi. Proektirovanie fazirovannyih antennyih reshetok : ucheb. posobie dlya vuzov / D. I. Voskresenskiy [i dr.] ; pod red. D. I. Voskresenskogo. — Moskva : Radiotehnika, 2012. — 744 s.
4. Antennyie reshetki / L. S. Benenson [i dr.] ; pod red. L. S. Benensona. — Moskva : Sov. radio, 1966. — 386 s.
5. Hansen R. S. Fazirovannyie antennyie reshetki. Vtoroe izdanie. — Moskva : Tehnosfera, 2012. — 560 s.
6. Korotkovolnovyie antennyi / G. Z. Ayzenberg [i dr.] ; pod red. G. Z. Ayzenberga. — Moskva : Radio i svyaz, 1985. — 536 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Белозерцев Юрий Васильевич. Начальник научно-технического отдела. АО ВНИИ «Вега».
Россия, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 7 Б.
Вереитин Владимир Владимирович. Аспирант. Воронежский государственный технический университет. E-mail: [email protected]
Россия, 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.
Климов Александр Иванович. Профессор кафедры инфокоммуникационных систем и технологий. Доктор технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 394065, г. Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-65
Belozertsev Yuriy Vasil'yevich. Head of Scientific and Technical Department. JSC Research Institute "Vega".
Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 7 B.
Vereitin Vladimir Vladimirovich. Graduate student. Voronezh State Technical University. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394026, Voronezh, Moskovsky Prospect, 14.
Klimov Alexander Ivanovich. Professor of the chair of Infocommunication Systems and Technologies. Doctor of Sciences (Radio Engineering), Assistant Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-65.
Ключевые слова: кольцевая антенная решетка; коэффициент усиления; диаграмма направленности; радиосвязь; высокие частоты.
Key words: circular ring antenna array; gain; radiation pattern; radio communications; high frequencies.
УДК 621.396.67
