Ромбические антенны ионозонда – результаты компьютерного моделирования

 

Козлов Александр Николаевич,

доктор физико-математических наук,

Гарбацевич Владимир Алексеевич,

соискатель.

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

имени Н.В. Пушкова РАН.

 

Необходимость изучения параметров ионосферы определяется потребностями радиосвязи, с одной стороны, и развитием научного направления – радиофизики ионосферы, с другой стороны.

В СССР Н.Д. Булатов впервые создал ионозонд типа ПИОН (1951-1955г.), на базе которого была разработана типовая ионосферная станция АИС. Выпуск серии ионозондов АИС был приурочен  к проведению Международного геофизического года (1957-1958 г.).

Ионозондом называют коротковолновый радиолокатор, работающим в диапазоне частот 1-20 МГц. По указанному диапазону ионозонд перестраивается с устанавливаем шагом по частоте 1-200 кГц. Для вертикального зондирования излучение направляется в зенит. Шкала высот отраженных сигналов составляет 90-1000 км. Время снятия высотно-частотной характеристики ионосферы – ионограммы составляет 0.4-7 минут в зависимости от установленной величины шага по частоте.

Параллельно с созданием ионозондов разрабатывались и антенные системы для них с вертикальной диаграммой направленности. Ранее в Ленинградском электротехническом институте связи была разработана антенная система, состоящая из трех ромбических антенн (РА), размещенных на мачтах высотой 100 м, 60 м и 40 м. [7]. Большие размеры, сложности в эксплуатации и большая стоимость не позволяют применять такие антенны в широкой практике [3]. Для отечественных ионозондов  были разработаны и использовались, как типовые, ромбические и дельта - антенны  с высотой центральной мачты 42 метра и 27 метров [2].

В зарубежных ионозондах используются подобные антенны: дельта – антенны, диполи с переключаемой длиной, ромбические антенны. Были сделаны попытки построить сложные конструкции логопериодических  антенн. Разработчиками ионозонда «Dynasonde» проведен анализ различных типов и конструкций антенн ионозондов [8]. В работе [9] представлен аналогичный анализ, но к нему добавлены результаты компьютерного моделирования передающих антенн.

Весь обширный материал в научной литературе по теории и практике расчета и изготовления ромбических антенн относится к горизонтально расположенным ромбам [1, 5]. Для работы ромбической антенны с максимумом излучения в зенит необходимо произвести дополнительные расчеты.

Специализированные программы расчетов параметров антенн появились только в 80-е годы ХХ века. Из-за малых вычислительных ресурсов ЭВМ они не получили широкого распространения. Существующие в настоящее время программы моделирования антенн для персональных компьютеров [4] различаются интерфейсами, сервисным меню и применяемым ядром. В основе программы лежит вычислительное ядро, обеспечивающее численное решение уравнений поля методом моментов для каждой точки. Над ядром существует сервисная оболочка, готовящая данные для ядра и представляющая в удобном виде полученные результаты расчёта. Точность расчетов, то есть совпадение модели с реальной антенной, определяется именно ядром. В настоящее время известны три основных программы, прошедших многолетнюю и тщательную проверку на соответствие расчётных и реальных параметров антенн [4]:

1. Программа MININEC (MiniNumerical Electromagnetic Code). Присутствующее в названии программы аббревиатура Mini означает то, что время вычислений минимизировано. Программа имеет несколько версий. Основной недостаток программы: при моделировании реальной земли не учитываются потери в ближней реактивной зоне антенны (<0,16). Диаграмма направленности антенн рассчитывается правильно с корректным учетом потерь в реальной земле.

2. Программа NEC2 (Numerical Electromagnetic Code 2) имеет переработанное вычислительное ядро, позволяющее учитывать потери в ближней реактивной зоне. Входное сопротивление и усиление, расположенных низко над реальной землей антенн, определяются точнее с учетом потерь в ближней зоны. Из недостатков программы следует отметить невозможность учёта противовесов лежащих на земле и ошибки при стыковке проводов разного диаметра.

3. Программа NEC4 – это дальнейшее развитие программы NEC2. Она может учитывать расположение проводов антенны, как на поверхности земли, так и закопанные в неё. Но эта программа не доступна широкому пользователю.

При выполнении компьютерного моделирования использовалась общедоступная программа MMANA-GAL [4]. В ней использует ядро MININEC с имеющимися у его ограничениями, но, учитывая рекомендации авторов программы, часть моделирования проводилась с помощью специальной утилиты NEC-2 для MMANA. Программа снабжена очень хорошим интерфейсом и большим набором вычисляемых функций. Программа позволяет определить коэффициент усиления антенны Ga, коэффициент стоячей волны КСВ, диаграмму направленности в разных плоскостях, включая трехмерную, полное сопротивление Z на частотах диапазона работы.

Для стандартных ромбических антенны ионозонда в диапазоне частот 1 – 20 МГц нами рассчитаны диаграммы направленности, параметры излучения в зенит и выработаны рекомендации по изменению элементов в конструкции антенны для повышения эффективности излучения.

Для компьютерных расчетов примем размеры реально созданной системы передающих антенн ионозонда (Рис.1). Это два асимметричных по высоте ромба с длиной пар проводов 31.3+34.2 м для малого ромба и 59.5+61.3 м для большого. Пары проводов разнесены на 1.5 метра для большого ромба и на 0.8 метра для малого ромба. Высота металлических двух боковых опор 16 метров и центральной мачты - 36 метров. Передатчик подключается в диапазоне 1-5 МГц – к большому ромбу, а в диапазоне 5-20 МГц – к малому. Волновое сопротивление питающего фидера составляет 600Ом. Нагрузочные резисторы для каждого из ромбов по 600 Ом расположены в верхней точке центральной мачты.

 

Рис. 1. Изображение компьютерной модели антенны ионозонда с использованием двух ромбов.

 

На рис 2 представлены результаты компьютерного расчета диаграмм направленности (ДН) большого ромба на различных частотах в виде трехмерного изображения.

 

Рис. 2. Трехмерные ДН большого ромба на частотах от 1МГц до 6МГц.

 

Как следует из расчетов для большого ромба, с ростом частоты излучения ДН претерпевает серьезные изменения и на частоте 5 МГц зенитное излучение снижается в несколько раз.

Компьютерные расчеты трехмерной диаграммы направленности ДН малого ромба РА показаны на рис 3.

 

Рис. 3. Трехмерные диаграммы направленности малого ромба на частотах от 4МГц до 20МГц.

 

Из Рис.3 следует, что диапазон работы антенны по частоте составляет всего лишь 4-9 МГц, на более высоких частотах излучение в зенит резко снижается, эффективность антенны становиться малой.

На рис. 4 приведены графики коэффициентов усиления (Ga) в Dbi ромбических антенн по диапазону. Коэффициент усиления вычислен для излучения в зенит, т.к. общий Ga, который программа позволяет вычислить автоматически, существенно отличается на определенных участках диапазона частот. Коэффициент стоячей волны (КСВ) вычисленный по диапазону часто находится в пределах 1.2­3.4.

 

Рис. 4. Коэффициент усиления Ga в Dbi ромбических антенн по диапазону частот. Пунктир – большой ромб РА, сплошная линия – малый.

 

Из графика можно сделать вывод, что большой ромб РА удовлетворительно работает в диапазоне частот 1.3-4.5 МГц, а малый ромб РА – в диапазоне 4-9 МГц, когда Ga больше 2 Dbi.

Для уверенной работы антенны ионозонда по всему диапазону частот, особенно в годы высокой солнечной активности, когда критические частоты отражений от ионосферы могут достигать 18 МГц, необходимо установка дополнительной РА с частотной характеристикой 9-20 МГц.

Для этого возможно использовать РА, расположенную на той же центральной мачте, что и основная антенная система, у которой плоскость будет ортогональна к плоскости большой и малой РА. Подобное расположение обеспечивает минимальную электромагнитную связь между вновь вводимой антенны с основными ромбическими антеннами.

Такой подход также обеспечивает минимальные финансовые затраты при установке дополнительной РА, не вносит существенных изменений в конструкцию уже существующей антенной системы.

На рис. 5 показана компьютерная модель антенной системы из трех ромбов для вычислений вновь вводимой антенны.

 

Рис. 5. Антенная система из трех ромбов.

 

Основная трудность при компьютерном моделировании дополнительного ромба заключается в выборе длины проводов и углов наклона их относительно поверхности земли.

На рис. 6 показан чертеж дополнительного ромба и принятые геометрические обозначения.

 

 

Рис. 6. Геометрия дополнительного ромба, где h-высота центральной мачты, h₁–высота подключения фидера, h₂–высота боковых мачт, ℓ₁-длина провода верхней части ромба, ℓ₂-длина провода нижней части ромба, α₁-угол наклона для верхней части ромба, α₂- угол наклона для нижней части ромба.

 

Расчет дополнительной РА ионозонда производился по следующей методике:

1. Принимаем высоту мачты h=35 м, следовательно, диагональ ромба составит 31 м при h₁ = 4 м.

2. Задаемся ориентировочной величиной ℓ₁=ℓ₂=25 м для средней частоты РА.

3. Определяем ℓ/λ для нижней и верхней частоты 9 и 20 МГц, соответственно,

ℓ/λ_н = 0.75 и ℓ/λ_в = 1.67.

Угол максимального излучения провода с током [3] достаточно точно подчиняются выражению:

cosθ_max =1–ℓ/2λ                                                                                                        (1)

или θ_max = arccos(1– λ/2ℓ)                                                                                       (2)

4. По формуле (2) производим расчет θ_max для ℓ/λ_н = 0.75 и ℓ/λ_в = 1.67. Соответственно, θ_max= 70° для ℓ/λ_н = 0.75 и θ_max= 46° для ℓ/λ_в = 1.67.

5. Определяем α₁=90°-70°=20°, а для α₂=90°-46°=44°.

6. С учетом углов α₁ и α₂ и диагонали ромба строим геометрическую фигуру - асимметричный ромб. Вычисляем новые значения ℓ₁ и ℓ₂, находимℓ₁/λ и ℓ₂/λ и повторяем расчет.

На Рис.7 представлены итоговые трехмерные диаграммы направленности дополнительного ромба.

 

Рис. 7. Трехмерные диаграммы направленности дополнительного ромба в зависимости от частоты излучения.

 

Введенная асимметрия ромба снижает Ga на отдельных частотах, но обеспечивает равномерность по диапазону.

Из представленных результатов компьютерного расчета диаграмм направленности следует, что необходимое перекрытие по частоте от 9 до 20 МГц может быть обеспечено при выборе углов α₁ = 41^о и α₂ = 33^о, ℓ₁ = 27,2 м, ℓ₂ = 23.9 м, h₁ =34 м, h = 17 м и h₁ = 4 м.

Полотно дополнительной РА может быть выполнено из антенного канатика диаметром 4 мм. Возможна либо установка дополнительных мачт h₂=17 м, либо применение растяжек (штриховые линии на Рис.6), последнее - предпочтительно. Мачты и растяжки должны выполняться из диэлектрического материала, в случае применения металлических мачт и растяжек необходимо применять рассекающие изоляторы через расстояние r < λ_min/4, т.е. меньше 4 метров.

            Другими важными параметрами антенны являются коэффициент усиления Ga и коэффициент стоячей волны КСВ (качество согласование антенн с фидерной линией) по всему диапазону частот. На Рис. 8 приведены расчетные итоговые коэффициенты Ga и КСВ для всех трех антенн.

 

Рис. 8. Коэффициенты Ga в Dbi и КСВ для трех антенн, штрих-пунктир – большой ромб, пунктир – малый ромб, сплошная – дополнительный ромб.

 

            Нами произведен численный расчет влияния на коэффициент усиления всех РА так называемых радиалов – системы противовеса из заземленных проводов. Было выбрано 6 проводов, укладываемых на поверхности земли симметрично относительно центральной мачты и соединенные кольцевыми проводами. Длина радиала равна расстоянию от центральной мачты до боковой – 150 м. Система противовеса обеспечивает увеличение проводимости подстилающей поверхности. Компьютерный расчет показал, что выбранная система радиалов может обеспечить дополнительное увеличение коэффициента усиления РА в среднем на 2 Dbi по всему диапазону частот. Проведены численные расчеты  по повышению эффективности излучения на низких частотах большого ромба РА путем снижения величины нагрузочного резистора до величин 300 – 400 Ом, но при этом увеличивается КСВ до 3 – 4. Критическая величина КСВ для передатчика ионозонда обычно устанавливается производителем и составляет 4-6. Вычисления показали, что допустимая величина нагрузочного резистора равна 420 Ом, при этом коэффициент усиления увеличивается на 0.3 Dbi, КСВ еще не превышает допустимой величины.

Компьютерное моделирование ромбических антенн ионозонда показало, что при заданной стандартной высоте центральной мачты перекрытие по частоте большого ромба составляет около 1.5-4.7 МГЦ при Ga более 2, а для малого ромба, при том же Ga – с 4.3 до 9.0 МГц. Повышение эффективности работы ионозонда возможно путем уверенного перекрытия частотного диапазона излучения решается за счет размещения в антенной системе дополнительной ромбической антенны, плоскость полотна которой должна быть ортогональна к плоскости большого и малого ромба. Предложенная методика моделирования дополнительной РА позволила найти такое размещения антенны, при котором параметры основной антенны не нарушаются, частотный диапазон комплексной антенны расшириться до 20МГц. Размещение заземленной сетки (радиалов) позволяет увеличить коэффициент усиления РА до 2-3 Dbi.

 

Литература.

 

1. Айзенберг Г.З., Антенны для магистральных коротковолновых радиосвязей // М.: Связьиздат, 1948. – 464.

2. Васильев Г.В., Васильев К.Н., Гончаров Л.П., Панорамная автоматическая ионосферная станция АИС// Геомагнетизм и аэрономия, 1960, №5, №10

3. Васильев Г.В., Исследование погрешностей измерения параметров ионосферы методам вертикального зондирования и вопросы проектирования аппаратуры// Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., М. 1970.

4. Гончаренко И.В., Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA // М.:ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2002. – 80.

5. Надененко С.И., Антенны // М.: Связьиздат, 1959. – 548.

6. Руководство по вертикальному зондированию ионосферы // Изд. АН СССР, Москва, 1957. –780.

7. Рыжков Е.В., Антенны ионосферных станций вертикального зондирования //Сб. Трудов ЛЭИС, Ленинград,1957, №3.

8. Wright J. W., Ionosonde antennas. // Ionosonde network advisory group (IN7G), Ionospheric Station Information, Bulletin No. 62, January 1998.

9. Wright J. W., Transmitting Antennas for Modern lonosondes // Dynasonde Solutions Ltd., May 2007.

 

Поступила в редакцию 29.09.2008 г.