Применение технологии плазменных антенн для повышения скрытности радиосвязи в vhf диапазоне и. А. Баранников1, Е. А. Ищенко1, С. М. Фёдоров1,2
 Скачать 0.64 Mb.
|
|
DOI УДК 621.396 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННЫХ АНТЕНН ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СКРЫТНОСТИ РАДИОСВЯЗИ В VHF ДИАПАЗОНЕ И.А. Баранников1, Е.А. Ищенко1, С.М. Фёдоров1,2 1Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия Аннотация: в статье рассматривается плазменная вибраторная антенна, которая предназначена для работы в VHF диапазоне на частоте 140 МГц. Вибраторные плазменные антенны отличаются от обычных вибраторных антенн тем, что металлический проводник заменяется плазмой в газоразрядной трубке. Плазменный вибратор, создаваемый разрядом в трубке способен, включаться и выключаться за времена порядка микросекунд. Применение плазменной антенны позволяет обеспечить два режима работы: активный, когда плазма индуцирует проводящую поверхность и скрытый, когда антенна становится практически невидимой для электромагнитных волн, а плазменное облако отсутствует. Для определения характеристик антенны использовалось электродинамическое моделирование. Полученные результаты показывают, что характеристики плазменной вибраторной антенны близки к характеристикам эквивалентного ей металлического диполя, при этом длина плазменной антенны меньше. Для определения эффективности скрытного режима антенны производилось сравнение характеристик эффективной площади рассеяния плазменной антенны с выключенным плазменным облаком и эквивалентного металлического диполя. Полученные результаты показывают, что плазменная антенна обладает высокой эффективностью излучения, диаграммами направленности схожими с эквивалентной дипольной антенной и значительно меньшими значениями ЭПР в выключенном режиме. Ключевые слова: плазменная вибраторная антенна, скрытность радиосвязи. Введение Плазменные антенны позволяют обеспечить связь в динамическом режиме. При появлении плазменного облака происходит формирование проводящей поверхности, которая выступает излучателем, если же облако не сформировано антенна представляет собой полый стеклянный цилиндр, который обладает малыми значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР) и не излучает ЭМВ. Таким образом применение плазменных антенн позволяет существенно повысить скрытность радиосвязи без использования сложных метаматериальных пластин, особой формы излучателей. Теория возможности формирования таких антенн описана в [1]. В работе [2] авторы приводят описание процедуры излучения плазменных антенн, при этом удается достичь максимально близкой диаграммы направленности к изначальной металлической антенне (полуволновой диполь). Математическое описание плазмы позволяет достичь того, что управление характеристиками излучения возможно не только путем изменения резонансных частот материала плазмы и размеров антенны, но и путем формирования многомодового излучения. Благодаря особенностям конструкции и характеристикам излучения материала плазмы удается также уменьшить длину излучателя. В работе [3] производится сравнение характеристик излучения для плазменной антенны и алюминиевого диполя. Полученные результаты показывают, что использование плазменных антенн позволяет сохранить все наиболее важные характеристики излучателя: КНД, КПД, диапазон рабочих частот. Таким образом можно сделать вывод об эффективности использования плазменных антенн, при этом их использование позволяет понизить зашумление радиопространства, так как при отсутствии необходимости формирования канала антенна отключается и, в связи с этим пропадает проводящая поверхность. В работе [4] авторы проводят эксперимент, который показывает, что излучение плазменной антенны возможно только в случае формирования плазменного облака, при его же отсутствии КНД антенны падает значительно менее 0 дБ. Путем проведения эксперимента было показано, что характеристики плазменного излучателя максимально схожи с полным металлическим диполем. В работе [5] авторы приводят пример формирования реконфигурируемой плазменной антенны, причем изменение характеристик излучения вызывается различными резонансными свойствами плазмы в излучателе, что приводит к формированию дополнительных каналов связи. Помимо этого, авторы рассматривают антенну с полным металлическим рефлектором, что приводит к ухудшению ЭПР антенны, а низкие значения ЭПР в выключенном состоянии являются одним из самых главных преимуществ плазменных антенн. В работе [6] авторы приводят пример сравнения электродинамического моделирования плазменной антенны с экспериментальными данными, как показали результаты, удается достичь высокой корреляции результатов. Таким образом, выполнение электродинамического моделирование позволяет эффективно получить результаты и решить поставленную задачу по получению характеристик излучателя. Авторы также показывают, что использование плазменных антенн в антенной решетке позволяет достичь управления характеристиками диаграммы направленности. В данной статье производится моделирование плазменной антенны, а также ее режимов работы; для выявления эффективности снижения радиолокационной заметности антенны в выключенном режиме производилось сравнение характеристик ЭПР с металлическим полуволновым диполем. Конструкция антенны Плазменная антенна представляет собой полый стеклянный цилиндр, в котором помещается вещество (плазма). В данном случае для возбуждения излучателя использовался металлический колодец, который передает возбужденное поле на излучатель. Для плазмы важным параметром является ее частота, которая определяется выражением:  (1)где n – концентрация свободных электронов или мера ионизации плазмы, e – заряд электрона, me – масса электрона. Для исследуемой модели (рис. 1) частота плазмы составляла 2 ГГц.  а)  б) Рис. 1. Модель исследуемой антенны: а) вертикальный разрез антенны с питающим элементом; б) диаметры плазменной антенны и запитывающего колодца При подаче напряжения на стеклянный цилиндр в нем возникает плазменное облако, которое выступает в роли излучателя, что формирует антенну, причем для рассматриваемой конструкции целевым является диапазон 140 МГц. Для проверки характеристик антенны производилось электродинамическое моделирование. Моделирование характеристик плазменной антенны Так как плазменное облако обладает достаточно узким резонансным диапазоном, требуется очень точная настройка антенны на целевой диапазон. В рассматриваемом случае диапазон рабочих частот определяется по уровню возвратных потерь (S11) менее -10 дБ (рис. 2а), а также очень важным является сохранение высокого уровня КПД в рабочем диапазоне частот (рис. 2б).  а)  б) Рис. 2. Характеристики излучателя: а) график возвратных потерь с обозначенным диапазоном рабочих частот; б) КПД антенного элемента Как видно полученный антенный элемент обладает рабочим диапазоном от 139.25 до 142.56 МГц, что является целевым диапазоном работы антенного элемента, а КПД антенны в рабочем диапазоне частот не опускается ниже 88%, что позволяет сделать вывод о большой эффективности антенного элемента. Диаграмма направленности антенны для частоты минимума S11 (140.68 МГц) приводится на рис. 3.  а)  б) Рис. 3. Диаграмма направленности полученной плазменной антенны: а) горизонтальная плоскость; б) вертикальная плоскость Как видно по полученным результатам, антенна обладает характеристиками излучения, которые схожи с полуволновым диполем, при этом, если отсутствует плазменное облако, диаграмма направленности значительно ослабляется и излучение практически отсутствует (рис. 4).  Рис. 4. Сравнение диаграмм направленности антенны при включенной и выключенной плазме После отключения плазмы видно, что КНД антенны уменьшился с 1.12 дБи до -0.507 дБи, таким образом понижение составило 1.627 дБ, что соответствует уменьшению на 145.3 %. Таким образом видно, что при отсутствии плазменного облака излучение отсутствует, а следовательно, антенный элемент становится практически невидимым для электромагнитных волн. Для сравнения характеристик эффективной площади рассеяния (ЭПР) производилось сравнительное моделирование с металлическим полуволновым диполем, который был разработан для того же диапазона рабочих частот – длина диполя 982 мм (что в 2.8 раза больше, чем длина изначальной плазменной антенны (рис. 1)). Диаграмма направленности диполя и плазменной антенны во включенном режиме приводятся на рис. 5.  а)  б) Рис. 5. Диаграммы направленности плазменной антенны и полуволнового диполя: а) горизонтальная плоскость; б) вертикальная плоскость Как видно из полученных результатов КНД металлического диполя больше, чем у разработанной плазменной антенны, однако стоит учитывать, что металлический диполь обладает значительно большими размерами, а также лишен возможности скрытного режима. Для определения характеристик ЭПР производилось облучение выключенной плазменной антенны и металлического диполя плоской электромагнитной волной, при этом производилось сохранение значений ЭПР – рис. 6.  а)  б)  в) Рис. 6. Сравнение характеристик ЭПР металлического диполя и выключенной плазменной антенны: а) ЭПР в м2; б) ЭПР в дБм2; в) разность ЭПР в дБм2 Как видно из полученных результатов ЭПР выключенной плазменной антенны значительно ниже, чем у полуволнового диполя. Для анализа всех результатов воспользуемся таблицей. Сравнение характеристик плазменной антенны и эквивалентного полуволнового диполя
Заключение Плазменные антенны позволяют достичь характеристик, которые схожи с эквивалентными металлическими диполями, при этом они обладают меньшими размерами, обладают скрытным режимом (когда выключены), что позволяет значительно снизить ЭПР объекта. Дальнейшее развитие технологии плазменных антенн может быть направлено на разработку реконфигурируемых антенн, так из плазменных ячеек возможно создание перестраиваемых рефлекторов, антенных решеток. Полученные результаты в ходе проведенного исследования показали, что плазменные антенны являются одним из передовых устройств для формирования канала связи в VHF диапазоне. Литература 1. T. Anderson Plasma Antennas. / Artech House: USA, 2011., 203 p. 2. H. Q. Ye, M. Gao and C. J. Tang, "Radiation Theory of the Plasma Antenna," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 5, pp. 1497-1502, May 2011, doi: 10.1109/TAP.2011.2123051. 3. J. P. Rayner, A. P. Whichello and A. D. Cheetham, "Physical characteristics of plasma antennas," in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 32, no. 1, pp. 269-281, Feb. 2004, doi: 10.1109/TPS.2004.826019. 4. Mohammad Mahdi Abbasi, Shahrooz Asadi, Abbas Pirhadi, The comprehensive design of high efficiency monopole plasma antenna using surfaguide exciting method. AEU - International Journal of Electronics and Communications.Vol. 121, 2020, 8 p. 5. Oumar Alassane Barro, Mohamed Himdi, and Olivier Lafond, "Reconfigurable Cylindrical Plasma Antenna," Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 66, 65-72, 2018. 6. Sun, Jian and Yuemin Xu. “Simulation study of plasma antenna reconfigurable performance.” 2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE) (2015): 67-70. Поступила ; принята к публикации Информация об авторах Илья Андреевич Баранников – студент, Воронежский государственный технический университет (34006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com Ищенко Евгений Алексеевич – студент, Воронежский государственный технический университет (34006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Фёдоров Сергей Михайлович – канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (34006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры информационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Россия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 APPLICATION OF PLASMA ANTENNA TECHNOLOGY TO IMPROVE RADIO COMMUNICATION STEALTH IN VHF BAND I.A. Barannikov1, E.A. Ishchenko1, S.M. Fedorov1,2 1Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2International Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia Abstract: The article discusses a plasma dipole antenna, which is designed to operate in the VHF band at a frequency of 140 MHz. Plasma dipole antennas differ from conventional dipole antennas in that the metal conductor is replaced by plasma in the discharge tube. The plasma dipole created by the discharge in the tube is capable of turning on and off in times of the order of microseconds. The use of a plasma antenna makes it possible to provide two modes of operation: active, when the plasma induces a conductive surface, and hidden, when the antenna becomes practically invisible to electromagnetic waves, and the plasma cloud is absent. Electrodynamic modeling was used to determine the characteristics of the antenna. The results show that the characteristics of the plasma dipole antenna are close to those of the equivalent metal dipole, while the length of the plasma antenna is shorter. To determine the efficiency of the hidden mode of the antenna, the characteristics of radar cross-section of the plasma antenna with the plasma cloud turned off and the equivalent metal dipole were compared. The results obtained show that the plasma antenna has a high radiation efficiency, directional patterns similar to an equivalent dipole antenna, and significantly lower RCS values in the off mode. Key words: plasma dipole antenna, radio communication stealth. References 1. T. Anderson Plasma Antennas. / Artech House: USA, 2011., 203 p. 2. H. Q. Ye, M. Gao and C. J. Tang, "Radiation Theory of the Plasma Antenna," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 59, no. 5, pp. 1497-1502, May 2011, doi: 10.1109/TAP.2011.2123051. 3. J. P. Rayner, A. P. Whichello and A. D. Cheetham, "Physical characteristics of plasma antennas," in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 32, no. 1, pp. 269-281, Feb. 2004, doi: 10.1109/TPS.2004.826019. 4. Mohammad Mahdi Abbasi, Shahrooz Asadi, Abbas Pirhadi, The comprehensive design of high efficiency monopole plasma antenna using surfaguide exciting method. AEU - International Journal of Electronics and Communications.Vol. 121, 2020, 8 p. 5. Oumar Alassane Barro, Mohamed Himdi, and Olivier Lafond, "Reconfigurable Cylindrical Plasma Antenna," Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 66, 65-72, 2018. 6. Sun, Jian and Yuemin Xu. “Simulation study of plasma antenna reconfigurable performance.” 2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE) (2015): 67-70 Ilya A. Barannikov – student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: 8thbar@gmail.com Evgeny A. Ishchenko – student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Sergei M. Fedorov – Cand. Sc. (Technical), Associate Professor Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel.: +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 |
