КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ С ЗИГЗАГООБРАЗНОЙ СТРУКТУРОЙ АНТЕННЫХ ВИБРАТОРОВ

CIRCULAR POLARIZATION WITH A ZIGZAG STRUCTURE OF ANTENNA VIBRATORS

Milkin Vladimir Ivanovich

Associate Professor, Murmansk Arctic University, Russia, Murmansk

Voytov Stepan Olegovich

Student, Murmansk Arctic University, Russia, Murmansk

Аннотация. Проведён анализ спиральных и турникетных антенн круговой поляризации, выявлены их конструктивные недостатки. Предложена инновационная зигзагообразная антенна, работающая в режиме бегущей волны, сочетающая принципы спиральных и директорных антенн. Описана конструкция и принцип работы устройства. Представлены результаты компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL: диаграммы направленности, коэффициент стоячей волны и основные электрические параметры. Антенна рекомендуется для использования в космических аппаратах и беспроводных системах в условиях сложной помеховой обстановки.

Abstract. The analysis of spiral and turnstile circular polarization antennas is carried out, their design shortcomings are revealed. An innovative zigzag antenna operating in the traveling wave mode, combining the principles of spiral and director antennas, is proposed. The design and principle of operation of the device are described. The results of computer modeling in the MMANA-GAL program are presented: radiation patterns, standing wave ratio and basic electrical parameters. The antenna is recommended for use in spacecraft and wireless systems in a difficult interference environment.

Ключевые слова: круговая поляризация, зигзагообразная структура, антенна бегущей волны, спиральная антенна, БПЛА.

Keywords: circular polarization, zigzag structure, traveling wave antenna, spiral antenna, UAV.

Круговая поляризация в телекоммуникациях, для организации радиоканалов повышенной надёжности, используется с появлением спиральной антенны, которая была запатентована французским инженером (H.Chireix) Генри Ширексом в 1930 году [1]. Примером такой антенны может быть антенное устройство на рисунке 1.

Рисунок 1. Спиральная антенна

В свою очередь интерес к таким антеннам контрастно проявился в конце пятидесятых годов прошлого столетия в связи с запуском искусственных спутников земли и в начале текущего века в связи с расширением использования беспилотной авиации (БПЛА). Для реализации круговой поляризации используются и турникетные антенны, изобретённые американским инженером (G.H.Brown) Джорджем Брауном в 1935 году [2]. Турникетные антенны, более простые в изготовлении и эксплуатации, но требуют усложнённого согласования и симметрирования. Поэтому проведен анализ комбинаций спиральных и директорных антенн, в ходе которого выработана инновационная конструкция: зигзагообразная антенна круговой поляризации. В предлагаемом техническом решении показана инновационная разработка между спиральными и турникетными антеннами.

Для этого реализовано не стандартное устройство зигзагообразных полотен вместо директорных перекрёстных вибраторов для реализации круговой поляризации при обеспечении работы антенны в режиме бегущей волны. Роль пассивных вибраторов директорной антенны выполняют активные треугольные вибраторы зигзагообразных полотен. Это улучшает электрические характеристики в более широком рабочем диапазоне частот, чем у директорных антенн, с плавным изменением коэффициента согласования в этом диапазоне. Схематический эскиз предлагаемой инновационной антенны изображён на рис. 2.

Рисунок 2. Зигзагообразная антенна круговой поляризации

Теоретически антенна работает следующим образом. При приёме электромагнитной волны круговой поляризации осуществляется её продвижение вдоль зигзагообразной структуры 3. Зигзагообразная структура представляет собой ряд равнобедренных треугольников с основаниями 5, по оси траверсы 6, равными 0,0553λ с высотами 7, равными 0,17λ. В случае совпадения вращения вектора поляризации электромагнитного поля, с направлением сдвинутых на 90 градусов, и смещёнными по траверсе 1 вибраторными элементами 2, на них наводится ЭДС. Сдвигаясь по ходу распространения сигналов по полотну, от одного вибраторного элемента к другому до рефлектора, ЭДС с прибавлением увеличивается. Таким образом, работа зигзагообразной структуры антенны подобна работе классической спиральной антенны в свете работы директорных антенн. Так как, если через вершины равнобедренных треугольников  исполняя приём вращения с движением за период электромагнитного колебания от одного вибраторного элемента к другому, находящемуся в одной плоскости и по одну сторону от траверсы с первым, совершается виток спирали, который продолжается следующими витками до настроенного рефлектора 8. Принятый сигнал подаётся на центральную жилу питающего фидера 4, экран которого  проводниками 10 подключён к углам рефлектора.

Теоретические предпосылки подкреплены компьютерным моделированием в программе MMANA-GAL по модели на рис. 3.

Рисунок 3. Компьютерная модель зигзагообразной антенны круговой поляризации

Для получения осевого излучения в спиральных антеннах шаг витков равен 0,24λ при диаметре спирали 0,31λ [2]. В моделировании применялись подходы конструктивной реализации близкой к устройству спиральных антенн.

В предлагаемом техническом решении расстояние между вибраторными элементами, размещёнными в идентичных плоскостях равно (0,0553×4) 0,23λ. Размах вибраторных элементов зигзагообразной структуры в ортогональных плоскостях (0,17×2) 0,34λ, соизмеримый с шагом витков и диаметром в спиральных антеннах. Отступления связаны как с изменённым замедлением скорости распространения волны в зигзагообразной структуре, так и с укорочением вибраторных элементов, из-за треугольной формы. Сама конструкция антенны подобна спиральной антенне, со сведённым проводом витков по медианам прямых углов ортогональных плоскостей к линии их пересечения. В отличие от классической директорной антенны с апериодическим рефлектором и пассивными вибраторами, кроме одного возбуждающего, в предлагаемой антенне все вибраторные элементы активные, что снижает потери взаимодействия вибраторов, которые существуют в антеннах с пассивными вибраторами.

Треугольные вибраторные элементы 11 рефлектора с высотами 12 соизмеримыми с высотами вибраторных элементов, равными 0,17λ, на сторонах 9 рефлектора, при работе дополнительно обеспечивают повышенный коэффициент усиления.  

Конструктивно антенна может быть реализована в диапазонах метровых, дециметровых и сантиметровых волн в скелетном варианте на диэлектрической стреле, с размещением на ней проволочной зигзагообразной структуры из провода, выполненного из медного, алюминиевого или стального материала в зависимости от необходимой прочности в соответствии с размерами, зависящими от выбранного рабочего диапазона частот. Другой версией конструкции может быть одностороннее крепление к вертикальной диэлектрической пластине соответствующих вибраторов одной плоскости в полном или в половинном размере пластины для обеспечения повышенной прочности.

Основные электрические параметры по результатам компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL показаны на рис. 4.

Рисунок 4. Диаграммы направленности зигзагообразной антенны круговой поляризации, её основные параметры

Ход изменения коэффициента стоячей волны, характеризующий её согласование с приёмо-передающими средствами, при работе в исследуемом диапазоне показан на рис. 5.

Рисунок 5. Коэффициент стоячей волны зигзагообразной антенны

Предложенная инновационная зигзагообразная антенна круговой поляризации не требует усложнённого каркаса, как спиральная антенна, и реализуется креплением полотна на траверсе, что из устройства траверсы дополнительно обеспечивает повышенную механическую надёжность. Использование активных вибраторов увеличивает коэффициент усиления. Разработанная антенна может быть применена при проектировании и изготовлении антенн космических аппаратов, а также для реализации беспроводных технологий в сложной помеховой обстановке. Научно-техническое направление предлагаемого технического решения является компромиссным результатом с улучшенными параметрами, между спиральными и перекрещенными директорными антеннами, что раскрывает новые горизонты дальнейшего совершенствования антенных устройств, с круговой поляризацией, ранее не известных.