СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ  ПРОСТРАНСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК  КВ  ПРИЕМНЫХ  МНОГОКАНАЛЬНЫХ  АНТЕННЫХ  КОМПЛЕКСОВ

Ворфоломеев  Артем  Александрович

аспирант  кафедры  «Средства  связи  и  информационная  безопасность»,  «Омский  государственный  технический  университет»,  РФ,  г.  Омск

E-mail: 

PERFECTION  SPATIALLY-POWER  CHARACTERISTICS  HF-BAND  RECEIVING  MULTICHANNEL  ANTENNA  COMPLEXES

Artem  Vorfolomeev

post- graduate  student  of  chair  “The  Communications  means  and  information  security”,  “Omsk  state  technical  university”,  Russia,  Omsk

АННОТАЦИЯ

Приводятся  результаты  исследования  характеристик  масштабируемых  КВ  приемных  многоканальных  антенных  комплексов  на  основе  ФАР  с  эквивалентными  антенными  элементами,  являющимися  подрешетками  различной  конфигурации. 

ABSTRACT

Results  of  research  characteristics  scalable  HF-band  receiving  multichannel  antenna  complexes  on  basis  of  phased  antenna  array  with  the  equivalent  antenna  elements  which  are  subarrays  of  various  configuration  are  resulted.

Ключевые  слова:  антенная  решетка;  диаграмма  направленности;  геометрия  антенных  элементов.

Keywords:   antenna  array;  directional  diagram;  geometry  antenna  elements.

Задачи  сокращения  площадей,  занимаемых  полноразмерными  эффективными  приемными  антеннами  КВ  узлов  радиосвязи,  и  совершенствования  характеристик  КВ  приемных  многоканальных  антенных  комплексов  являются  актуальными  [1;  3].

Одним  из  эффективных  методов  решения  этих  задач  является  разработка  масштабируемых  многоканальных  антенных  комплексов  на  основе  фазируемых  антенных  решеток  —  ФАР  [1;  6;  9].  Однако,  реализация  этих  комплексов  на  основе  технологий  и  технических  решений  (80-х…90-х)  годов  прошлого  столетия  обусловили  отсутствие  динамики  изменения  положений  формируемых  диаграмм  направленностей  (ДН),  низкие  показатели  радиоэлектронной  защиты  и  недостаточную  чувствительность  ФАР  в  целом.

В  настоящее  время  в  России  стационарные  приемные  центры  КВ  диапазона  в  основном  оснащены  проволочными  антеннами  (типа  БС-2,  БГДШ  и  другими)  разработки  1960-х  годов,  большинство  из  которых  физически  устарело  и  требует  капитального  ремонта.  Перед  такими  антеннами  ФАР  на  основе  малоразмерных  антенных  элементов  имеют  ряд  технических  и  экономических  преимуществ  [6].

Среди  существующих  радиоприемных  фазированных  антенных  решеток  отдельное  внимание  следует  обратить  на  антенные  системы,  описанные  в  [6]. 

Применение  многоканальных  цифровых  радиоприемных  устройств  (МЦРПУ)  и  диапазонных  антенных  элементов  (АЭ)  способствует  преодолению  противоречивых  требований  к  ФАР  [3;  4].

Рисунок  1.  Функциональная  схема  КВ  приемного  многоканального  антенного  комплекса  с  эквивалентными  АЭ  (подрешетками)

Принцип  формирования  ДН  подрешетки  антенного  комплекса  основан  на  компенсации  фазовых  сдвигов  между  токами,  наведенными  в  отдельных  АЭ  высокочастотным  электромагнитным  полем,  определяемых  взаимным  расположением  АЭ  и  выбранным  направлением  приема,  с  последующим  синфазным  сложением  токов  АЭ  [5].

Рисунок  2.  Принцип  сложения  токов  для  выделенного  направления

Направление  прихода  α  электромагнитной  волны  может  быть  описано  выражением:

,                                   (1)

где:  θ₀  —  заданный  угол  места; 

φ₀   —  заданный  азимут.

Задержка  времени  относительно  первого  АЭ  определяется  выражением:

,                                 (2)

где:  t_m  —  время  задержки  для  m-го  АЭ, 

d   —  расстояние  между  соседними  АЭ, 

с   —  скорость  распространения  электромагнитной  волны  в  воздухе, 

m   —  номер  АЭ, 

α  —  обобщенная  пространственная  координата  (направление  прихода  электромагнитной  волны).

Наводимые  в  АЭ  токи  ,  отличаются  фазами,  значения  которых  определяются  по  формуле:

,                                       (3)

где  λ  —  длина  волны.

При  этом  фазовые  сдвиги  сигнала  в  m-ой  линии  задержки  вычисляются  как:

,                         (4)

где:  λ  —  длина  волны, 

M   —  количество  АЭ; 

m_i   —  номер  i-го  АЭ.

ДН  подрешетки  описывается  соотношением:

,                 (5)

где:  F_з  —  множитель,  учитывающий  влияние  земли; 

θ   и  φ  —  текущие  значения  угла  места  и  азимута.

Принцип  формирования  ДН  антенного  комплекса  основан  на  свойстве  линейных  АР  формировать  одновременно  множество  дифракционных  лепестков  с  одинаковыми  уровнями,  если  расстояние  D  между  соседними  АЭ  больше  λ/2.  Это  объясняется  тем,  что  условия  синфазности  на  входах  сумматора  можно  обеспечить  не  для  одного  направления  приема,  как  в  случае  ФАР  с  d  <  λ/2,  а  сразу  для  нескольких,  причем,  их  можно  задавать  соответствующим  выбором  цепей  компенсации  пространственного  фазового  сдвига.  На  каждом  входе  диаграммообразующего  устройства  может  присутствовать  сразу  несколько  сигналов,  приходящих  с  разных  направлений  и  принимаемых  по  отдельным  дифракционным  лепесткам.  Этот  недостаток  устраняется  путем  применения  в  качестве  АЭ  направленных  антенн,  позволяющих  выделить  заданную  группу  независимых  дифракционных  лепестков  и  ослабить  остальные  до  уровня  боковых  лепестков.

ДН  антенного  комплекса  описывается  соотношением:

,                           (6)

где:  F_n  —  множитель  подрешетки; 

k   —  волновое  число  (k  =  2π/λ); 

D   —  расстояние  между  соседними  подрешетками;  ψ_n  определяется  выражением:

,                                        (7)

где:  N  —  количество  подрешеток; 

n_i   —  номер  i-ой  подрешетки.

Результаты  моделирования  направленности  антенного  комплекса  на  основе  нескольких  подрешеток  с  учетом  дифракционных  лепестков  приведены  на  рисунках  3,  4  (для  φ₀  =  0º,  θ₀  =  20º  и  f  =  18  МГц).  Точность  дискретного  представления  в  среде  моделирования  для  D  =  4λ  –  0,25º,  для  D  =  10λ  –  0,125º.  В  качестве  единичного  АЭ  подрешеток  использовался  симметричный  вертикальный  вибратор  [2],  длиной  8  метров,  находящийся  на  поверхности  земли.  Количество  АЭ  в  подрешетке  —  8,  расстояние  между  элементами  —  d  =  λ/2.

Рисунок  3.  ДН  антенного  комплекса  D  =  4l

Рисунок  4.  ДН  антенного  комплекса  D  =  10l

Результаты  вычислительного  эксперимента  показывают,  что  совершенствование  пространственно-энергетических  характеристик  возможно  повышением  чувствительности  ФАР  —  за  счет  использования  МЦРПУ  на  выходе  каждой  подрешетки  и  последующего  фазирования  цифровым  методом;  повышением  коэффициента  усиления  за  счет  наращивания  количества  подрешеток  и  образования  из  подрешеток,  например,  ФАР  кольцевой  [2]  конфигурации;  использованием  в  качестве  диапазонных  элементов  —  объемных  излучателей  [7;  8].

Список  литературы:

1.Азаров  Г.И.  Актуальные  вопросы  проектирования  антенно-фидерных  устройств  средств  радиосвязи  и  радиовещания:  монография  /  Г.И.  Азаров,  Г.И.  Трошин,  А.С.  Ильинский.  М.:  Сайнс-Пресс,  2001.  —  72  с.

2.Айзенберг  Г.З.  Коротковолновые  антенны  /  Г.З.  Айзенберг,  С.П.  Белоусов,  Э.П.  Журбенко  и  др.  2-е  изд.,  перераб.  и  доп.  М.:  Радио  и  связь,  1985.  —  536  с.

3.Березовский  В.А.  Современная  декаметровая  радиосвязь:  оборудование,  системы  и  комплексы  /  В.А.  Березовский,  И.В.  Дулькейт,  О.К.  Савицкий.  М.:  Радиотехника,  2011.  —  444  с.

4.Будяк  В.С.  Схемы  построения  коротковолновых  приемных  многоканальных  антенных  систем  /  В.С.  Будяк,  А.А.  Ворфоломеев,  В.П.  Кисмерешкин  //  Вестник  Академии  Военных  наук.  —  2009.  —  №  3  (28).  —  С.  43—46.

5.Надененко  С.И.  Антенны  /  С.И.  Надененко.  М.:  Связьиздат,  1959.  —  552  с.

6.Основные  направления  ОАО  «СКТБР»  в  части  разработки  приёмно-пеленгационных  антенно-коммутационных  комплексов  и  фазированных  антенных  решёток.  Калуга:  ОАО  «Специальное  конструкторско-технологическое  бюро  радиооборудования»,  2006.  —  12  с.

7.Патент  №98636,  РФ,  МПК  Н01Q  9/18;  H01Q  9/34  Широкополосный  вертикальный  излучатель  /  В.С.  Будяк,  М.В.  Захцер,  В.В.  Рысев,  Е.С.  Попов,  Б.Г.  Шадрин,  О.А.  Селиванов  Опубл.  2010.  Бюл.  №  29.

8.Патент  №  99250,  РФ,  МПК  H01Q  9/18.  Симметричный  вертикальный  диапазонный  излучатель  /  А.А.  Ворфоломеев,  В.С.  Будяк,  О.В.  Карасева  Опубл.  2010,  Бюл.  №  31.

9.Радиоприемные  фазированные  антенные  решетки  и  антенно-коммутационные  системы  декаметрового  диапазона  волн  для  радиоразведки  и  радиосвязи,  антенные  комплексы  спутниковой  связи,  радиоразведки  и  навигации.  Калуга:  ОАО  «Специальное  конструкторско-технологическое  бюро  радиооборудования»,  2008.  —  53  с.