КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-79-01093
НазваниеИсследование свойств электромагнитного поля линейных излучателей с двухдиапазонной функцией входного импеданса, поверхностные токи на которых возбуждаются источником электродвижущей силы с измененной пространственной структурой
Руководитель Алексейцев Сергей Александрович, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет" , Новосибирская обл
Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь
Ключевые слова Двухдиапазонная антенная решетка, многолучевая антенная решетка, концевое возбуждение, радиоразведка, радионавигация, согласование, коэффициент направленного действия
Код ГРНТИ47.45.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Научная задача, лежащая в основе проекта, заключается в исследовании электродинамических характеристик линейных излучающих тел, возбуждение которых осуществляется источником электродвижущей силы с измененной пространственной структурой по отношению к известным классическим решениям дипольных антенн, таких как полуволновый диполь, диполь Пистолькорса. Функция входного импеданса при этом претерпевает изменение по сравнению с классической центрально-питаемой структурой и позволяет получить меньшую входную реактивность, что дает возможность синтеза двух/многодиапазонного режима работы с малым уровнем возвратных потерь мощности. Данный эффект проявляется в увеличении ресурса согласования. Помимо этого, сама компоновка излучателя при таком сценарии позволяет более эффективное использование пространства диэлектрической подложки, что ведет к уменьшению массогабаритных параметров излучателя в целом.
Исследование относится к области сверхвысокочастотных устройств и направлено на совершенствование существующих на сегодняшний день решений в части портативных излучающих систем бортовых радиолокационных станций (РЛС) для управляемых летательных средств, а также на решение актуальной научной проблемы исследования нестандартно-возбуждаемых линейных излучателей.
Известные компоновки дипольных антенн и их модернизации, разработанные видными советскими и зарубежными учеными, среди которых А. А. Пистолькорс, Д. И. Воскресенский, Ronold W.P. King и др., хорошо изучены и представляют класс линейных излучателей с достаточно неплохими как электродинамическими, так и массогабаритными характеристиками. Чистота линейной поляризации таких излучателей обеспечивает хорошую электромагнитную совместимость и поляризационную селективность. Конструктив антенн на основе таких излучателей относительно прост и незамысловат. Благодаря перечисленным особенностям такие излучатели весьма востребованы на сегодняшний день.
Однако, стратегия развития радиоэлектронной аппаратуры по совершенствованию узлов и систем антенной техники выставляет все большие, и подчас противоречивые и взаимоисключающие требования к антенно-фидерным устройствам и это открывает ряд научно-технических направлений (задач) вычислительной электродинамики.
Для решения данных задач предлагается исследовать электродинамические режимы возбуждения терминальных удаленных точек линейных проводников (диполеподобных) с условием двухдиапазонного согласования функции входного импеданса излучателя, на основе чего обобщить классическую электродинамическую задачу тонкого электрического диполя на двухдиапазонный излучатель дипольного вида с концевым возбуждением. На основе математической модели излучателя разработать имитационные модели сегмента нетрадиционных излучающих модулей, в основе которых лежат идеи максимально полной функциональной комплектации их излучающих систем. В частности, использование запатентованного решения в части возбуждения излучателей дипольного вида, когда питание подается на удаленные клеммы диполя. Такая вариация позволяет освободить центральную часть диэлектрической подложки и тем самым, во-первых, выделить место для цифровой аппаратуры управления, а во-вторых, решить проблему паразитной электромагнитной связи в данной части топологии. Обеспечение многодиапазонного режима излучения повышает помехозащиту системы, позволяет выбирать частотный диапазон в зависимости от погодных условий, метеообразований, и карты пассивных помех.
Научная новизна разработки заключается в обобщении классической электродинамики линейных излучателей резонансного типа с центральным типом возбуждения на излучатели с концевым типом возбуждения. При этом воплощается в единой топологии двухдиапазонный возбудитель, запитываемый от несимметричной фидерной линии. На основе данного излучателя проектируется двухдиапазонная антенная решетка с принципиально новыми возможностями по КУ, рабочим диапазонам и многолучевости.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетный период были выполнены следующие виды работ и получены следующие научные результаты:
1) Были исследованы электродинамические модели антенного излучателя на базе возбудителя дипольного вида с концевым возбуждением на предмет максимально возможных диапазонных характеристик (ширины полос согласования по уровню -10 дБ на двух центральных частотах). На основе этих исследований была получена модифицированная модель двухдиапазонного возбудителя с концевым типом возбуждения, у которой на каждой центральной частоте ширина полосы согласования по уровню -10 дБ составляет не менее 5% от центральной частоты данного частотного диапазона. Исследования показали, что анализ диапазонных свойств двухдипольных структур с концевым типом возбуждения сводится к анализу полного входного импеданса такой системы. Показано, что основным подмножеством параметров возбудителя (в отсутствие согласующе-симметрирующего устройства) является тройка параметров (l1, l2, d), а добавление в соства излучателя согласующе-симметрирующего устройства и соответствующей директорной части позволяет в более широких пределах изменять электродинамический режим излучателя по частотным свойствам характеристики согласования (коэффициент S11).
2) Были проведены электродинамические компьютерные моделирования и измерения в безэховой камере характеристик четырехлучевой и восьмилучевой антенных решеток. За счет моделирования удалось снизить уровень ослепления (уровень боковых лепестков) посредством доработки излучателя и диаграммообразующего устройства до значений минус 9 дБ для четырехлучевой ФАР и до минус 10 дБ для восьмилучевой ФАР. В сертифицированной безэховой камере были произведены измерения электродинамических характеристик опытных образцов ФАР, изготовленных на заводе Электроконнект. Результаты измерений имели высокий уровень корреляции с данными моделирования. Характеристики четырехлучевой ФАР: согласование по уровню минус 15 дБ в полосе частот 2-2,4 ГГц; отклонение экспериментально полученных направлений ДН от теоретических 1,5-8,6 гр. для 2 ГГц и 1,5-12,6 гр. для 2,4 ГГц; коэффициенты усиления 8,3-9,6 дБ для 2 ГГц и 6,8-8,4 дБ для 2,4 ГГц. Характеристики восьмилучевой ФАР: согласование по уровню минус 13 дБ в полосе частот 2-2,4 ГГц; отклонение экспериментально полученных направлений ДН от теоретических 0,6-12 гр. для 2 ГГц и 0,9-11 гр. для 2,4 ГГц; коэффициенты усиления 10,3-12,9 дБ для 2 ГГц и 9,3-11,6 дБ для 2,4 ГГц.
3) Доработана методика проектирования двухдиапазонных антенных решеток на базе излучателей с концевым типом возбуждения в части ее расширения на большее число директоров и изменения геометрии заземленной металлизации с целью снижения влияния поверхностных токов проводимости на верхней ее кромке на поле в дальней зоне (Фраунгофера). В процессе проведения таких этапов как проектирование и компоновка ФАР трудностей с расположением большего числа директоров не возникло, а электродинамическое моделирование и натурный эксперимент опытных образцов четырехлучевой и восьмилучевой антенных решеток показал, что дополнительно введённые директоры оказали положительный в части усиления сигнала в сравнении с моделями с меньшим количеством директоров. При этом, ключевым параметром, в наибольшей степени влияющим на картину формирования поля в дальней зоне, является межэлементное расстояние в решетке, как для нулевого отклонения главного лепестка от нормали, так и при сканировании. Топология заземленной металлизации в процессе установки в антенную решетку подвергалась незначительному сужению, что позволило снизить влияние поверхностных токов проводимости на верхней ее кромке.
4) По результатам исследования с использованием системного подхода проектирования двух/многодиапазонных излучателей дипольного вида с концевым возбуждением была спроектирована и исследована модель возбудителя дипольного вида с трехдиапазонной функцией входного импеданса, при которой достигается излучение сигнала в трех непересекающихся полосах частот. Показано, что в данной модели возбудителя по сравнению с двухдиапазонной схемой, количество параметров, определяющих электродинамический режим возбудителя (в отсутствие согласующе-симметрирующего устройства), расширено, что позволяет в большей степени изменять входной импеданс возбудителя, и, следовательно, более эффективно производить параметрическую оптимизацию топологии антенны.
Результаты исследований опубликованы российских и зарубежных источниках:
Алексейцев С.А., Колесников А.А., Паршин Ю.Н. Полуавтоматизированное проектирование двухдиапазонных антенн с концевым типом возбуждения для цифровых антенных решеток. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2024;27(3):30-41;
Alekseitsev, S.A., Parshin, Y.N. & Kolesnikov, A.A. Dual-Band Planar Antenna Array Based on Dipole Radiators with Nonstandard Excitation. Russ. Engin. Res. 45, 235–239 (2025). https://doi.org/10.3103/S1068798X24703581
Публикации
1. Алексейцев С. А., Паршин Ю. Н., Колесников А. А. Двухдиапазонная планарная антенная решетка на базе излучателей дипольного вида с нестандартным способом возбуждения Журнал СТИН СТанки ИНструмент (год публикации - 2025)
2.
Алексейцев С. А., Колесников А. А., Паршин Ю. Н.
Полуавтоматизированное проектирование двухдиапазонных антенн с концевым типом возбуждения для цифровых антенных решеток
Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника
, Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2024;27(3):30-41 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.32603/1993-8985-2024-27-3-30-41
3.
Колесников А. А., Паршин Ю. Н., Алексейцев С. А.
Four-Beam phased antenna array based on multi-element end-fed dipole-like radiator
IEEE, 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), Altai, Russian Federation, 2024, pp. 430-434 (год публикации - 2024)
DOI: 10.1109/EDM61683.2024.10615015
4.
Алексейцев С. А., Паршин Ю. Н., Колесников А. А.
Dual-Band Planar Antenna Array Based on Dipole Radiators with Nonstandard Excitation
Springer Nature Link, Russian Engineering Research, ISSN 1068-798X, Russian Engineering Research, 2025, Vol. 45, No. 2, pp. 235–239. © Allerton Press, Inc., 2025.
Russian Text © The Author(s), 2025, published in STIN, 2025, No. 1, pp. 5–9. (год публикации - 2025)
DOI: 10.3103/S1068798X24703581
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта в части разработки новых элементов и узлов антенной техники формируют научно-практический задел для разработки элементов и систем инфраструктуры нового поколения, а также инфокоммуникационных систем с улучшенными тактико-техническими показателями, что будет способствовать в целом развитию соответствующего сегмента экономики.