eng
Выпуск #1/2018
Н. Богачев, С. Андреев, В. Дёмин, Н. Гусейн-заде, А. Кириллов, О. Калинин, А. Филиппов
Плазменная несимметричная вибраторная антенна: измерение характеристик сигналов
Плазменная несимметричная вибраторная антенна: измерение характеристик сигналов
Просмотры: 3867
Рассмотрено измерение спектров частотно-модулированных сигналов, излучаемых плазменной несимметричной вибраторной антенной (ПНВА), а также аналогичной металлической несимметричной вибраторной антенной (МНВА). Отмечено, что модулированный сигнал, излучаемый ПНВА, в целом не уступает по качеству сигналу от МНВА, а по некоторым параметрам даже превосходит.
УДК 533.9; 537.86; 621.396.673; 621.376.3
ВАК 05.11.00; 05.12.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.172.1.88.91
УДК 533.9; 537.86; 621.396.673; 621.376.3
ВАК 05.11.00; 05.12.00
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.172.1.88.91
Теги: frequency-modulated signal plasma antenna signal analyzer анализатор сигналов плазменная антенна частотно-модулированный сигнал
Плазменные антенны – класс устройств, в которых в качестве волноведущих, излучающих и управляющих элементов используется плазма [1–9]. Исследования плазменных антенн направлены на решение таких задач современной радиотехники, как cоздание интеллектуальных антенн с безынерционным управлением характеристиками; cнижение радиолокационной заметности антенных устройств военной техники; повышение защищенности радиотехнических систем от воздействий средств радиоэлектронной борьбы и поражения атмосферными электрическими разрядами. В развитии плазменных технологий в антенной технике можно выделить несколько направлений. Самое обширное и перспективное – плазменные антенны из газоразрядных трубок – предусматривает разработку антенн различных типов. В статье рассматривается плазменная несимметричная вибраторная антенна (ПНВА).
ПНВА (рис. 1) представляет собой аналог металлической несимметричной вибраторной антенны (МНВА), состоит из газоразрядной трубки с плазмой, соединенной с центральным проводником коаксиального кабеля, и проводящего диска, соединенного с внешним проводником коаксиального кабеля (в МНВА вместо газоразрядной трубки используется металлический штырь). Оптимальной длиной трубки (или штыря) считается la = λ / 4, где λ – длина волны, излучаемой антенной.
Постановка задачи
Несмотря на то, что ПНВА исследуются с 1999 года [1–6], еще остается ряд актуальных вопросов: определение оптимального режима работы, изучение шумов и нелинейных искажений излучаемого ПНВА сигнала. Под оптимальным режимом работы понимается режим, в котором электрические характеристики плазменной антенны и излучаемого сигнала близки к характеристикам аналогичной металлической антенны.
Ранее были исследованы спектры немодулированного сигнала, который излучался плазменной несимметричной вибраторной антенной [9, 10]. В данной работе рассматривается частотно-модулированный сигнал (ЧМ-сигнал), излучаемый плазменной несимметричной вибраторной антенной. Для сравнения были выполнены измерения для аналогичной металлической антенны. Выбор частотно-модулированного сигнала обусловлен тем, что этот тип сигнала – один из самых удобных и используемых в радиотехнических системах.
Стенд для исследований
На рис. 2 представлена схема стенда для исследования спектра ЧМ-сигнала, излучаемого антенной. В качестве источника модулирующего колебания был выбран мобильный телефон с ОС Android 5.1 и установленной программой Sound Generator V. 2.8, которая позволяла создавать с помощью динамика мобильного телефона звуковые колебания с заданной частотой F = 5 кГц. Колебания поступали на микрофон радиостанции Vertex VX‑2100, в которой модулировалось несущее колебание на частоте f0 = 446 МГц. От радиостанции сигнал поступал на исследуемую плазменную или металлическую несимметричную вибраторную антенну, установленную в держателе. Исследуемая антенна излучала модулированный сигнал, который принимался измерительной антенной на расстоянии 3 м. С приемной измерительной антенны сигнал через аттенюатор поступал в анализатор сигналов Keysight PXA N9030B c диапазоном измерений от 4 Гц до 26,5 ГГц. Спектры частотно-модулированного сигнала, излучаемого ПНВА и МНВА, измерялись с использованием встроенного измерительного приложения анализатора N9030B для исследования сигнала с аналоговой модуляцией, обладающего возможностью выделения модулирующего сигнала.
Результаты измерений спектров
На рис. 3 представлены спектры мощности сигнала, излученного МНВА и ПНВА. Данные спектры измерены вблизи несущей частоты f0 = 446 МГц в полосе шириной 50 кГц. В представленных на рис. 3 спектрах видны компонент на частоте несущего колебания f0 и компоненты на частотах f0 ± F с отстройкой 5 кГц. Кроме того, в спектре видны компоненты на частотах f0 ± 2F, f0 ± 3F и т. д. Следует отметить, что мощность на частоте несущего колебания сигнала, излучаемого ПНВА, на 12,2 дБ меньше, чем мощность сигнала, излучаемого МНВА. Разница мощности сигналов ПНВА и МНВА на комбинационных частотах f0 ± F составляет 12,21 дБ. Отсюда следует вывод, что соотношение мощности информационного сигнала на частотах f0 ± F и мощности сигнала на несущей частоте f0 одинаковы для случаев ПНВА и МНВА. При этом соотношение мощности информационного сигнала на частотах f0 ± F и мощности нелинейных компонентов на комбинационных частотах f0 ± 2F и f0 ± 3F лучше для сигнала, излучаемого ПНВА. Подробные численные данные представлены в таблице.
С помощью программного обеспечения анализатора сигналов PXA N9030B для детектирования сигнала были исследованы спектры мощности низкочастотного модулирующего колебания (рис. 4). Из представленных на рисунке спектров видно, что на частоте модулирующего колебания 5 кГц мощность детектированного сигнала для ПНВА и МНВА одинакова и составляет –62,14 дБм. Компонента на второй гармонике модулирующего колебания у сигнала от плазменной несимметричной вибраторной антенны на 8,35 дБ меньше, чем для случая с металлической антенной, что косвенно свидетельствует об улучшении соотношения сигнал / шум при излучении ЧМ-сигнала ПНВА.
Таким образом, в рамках исследования излучения ЧМ-сигнала плазменной и металлической несимметричными вибраторными антеннами было показано, что модулированный сигнал, излучаемый плазменной антенной, в целом не уступает по качеству сигналу от металлической антенны, а по некоторым параметрам даже превосходит. Мощность нелинейных комбинационных частот в спектре ЧМ-сигнала ПНВА заметно ниже, чем в спектре сигнала, излучаемого МНВА. В спектре детектированного сигнала видно снижение мощности на второй гармонике частоты модулирующего колебания для сигнала от плазменной антенны в сравнении с сигналом от металлической антенны.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-08-00859 а.
Полученные результаты были представлены на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («РАДИОИНФОКОМ‑2017») [11].
Литература
1. Borg G. G., Harris J. H., Miljak D. G., et al. Application of Plasma Columns to Radio-Frequency Antennas // Applied Physics Letters. 1999. Vol. 74. No. 22. P. 3272.
2. Rayner J. P., Whichello A. P., Cheetham A. D. Physical characteristics of plasma antennas // IEEE Trans. on plasma science. 2004. Vol. 32. Is. 1. P. 269.
3. Alexeff I., Anderson T., Parameswaran S., et. al. Experimental and theoretical results with plasma antennas // IEEE Trans. on plasma science. 2006. Vol. 34. Is. 2. P. 166.
4. Istomin E. N., Karfidov D. M., Minaev I. M., et. al. Plasma Asymmetric Dipole Antenna Excited by a Surface Wave // Plasma Physics Reports. 2006. Vol. 32. Is. 5. P. 388.
5. Lv J. W. Song Li Y., Li Chen Z. Two-Dimensional Models of Cylindrical Monopole Plasma Antenna Excited by Surface Wave // WSEAS Transactions on Communications. 2011. Vol. 10. Is. 11. P. 323.
6. Kiss’ovski Z., Vachkov V. Radiation of Monopole Microwave Plasma Antenna // International Journal of Engineering & Advanced Technology (IJEAT). 2016. Vol. 5. Is. 5. P. 10.
7. Bogachev N. N., Bogdankevich I. L., Gusein-zade N. G., et al. Surface wave and linear operating mode of a plasma antenna // Plasma Physics Reports. 2015. Vol. 41. Is. 10. P. 792.
8. Belyaev B. A., Leksikov An. A., Leksikov A. A., et. al. Nonlinear Behavior of Plasma Antenna Vibrator // IEEE Trans. on Plasma Science. 2014. Vol. 42. Is. 6. P. 1552.
9. Bogachev N. N., Bogdankevich I. L., Gusein-zade N. G. Operation modes and signal spectra of plasma asymmetrical dipole antenna // 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2016. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481512.
10. Богачев Н. Н., Гусейн-заде Н. Г., Нефёдов В. И. Диаграмма направленности и спектр излучения плазменной несимметричной вибраторной антенны // Сб. тезисов докладов X конференции "Современные средства диагностики плазмы и их применение, 14–16 ноября 2016, г. Москва, С. 25–28.
ПНВА (рис. 1) представляет собой аналог металлической несимметричной вибраторной антенны (МНВА), состоит из газоразрядной трубки с плазмой, соединенной с центральным проводником коаксиального кабеля, и проводящего диска, соединенного с внешним проводником коаксиального кабеля (в МНВА вместо газоразрядной трубки используется металлический штырь). Оптимальной длиной трубки (или штыря) считается la = λ / 4, где λ – длина волны, излучаемой антенной.
Постановка задачи
Несмотря на то, что ПНВА исследуются с 1999 года [1–6], еще остается ряд актуальных вопросов: определение оптимального режима работы, изучение шумов и нелинейных искажений излучаемого ПНВА сигнала. Под оптимальным режимом работы понимается режим, в котором электрические характеристики плазменной антенны и излучаемого сигнала близки к характеристикам аналогичной металлической антенны.
Ранее были исследованы спектры немодулированного сигнала, который излучался плазменной несимметричной вибраторной антенной [9, 10]. В данной работе рассматривается частотно-модулированный сигнал (ЧМ-сигнал), излучаемый плазменной несимметричной вибраторной антенной. Для сравнения были выполнены измерения для аналогичной металлической антенны. Выбор частотно-модулированного сигнала обусловлен тем, что этот тип сигнала – один из самых удобных и используемых в радиотехнических системах.
Стенд для исследований
На рис. 2 представлена схема стенда для исследования спектра ЧМ-сигнала, излучаемого антенной. В качестве источника модулирующего колебания был выбран мобильный телефон с ОС Android 5.1 и установленной программой Sound Generator V. 2.8, которая позволяла создавать с помощью динамика мобильного телефона звуковые колебания с заданной частотой F = 5 кГц. Колебания поступали на микрофон радиостанции Vertex VX‑2100, в которой модулировалось несущее колебание на частоте f0 = 446 МГц. От радиостанции сигнал поступал на исследуемую плазменную или металлическую несимметричную вибраторную антенну, установленную в держателе. Исследуемая антенна излучала модулированный сигнал, который принимался измерительной антенной на расстоянии 3 м. С приемной измерительной антенны сигнал через аттенюатор поступал в анализатор сигналов Keysight PXA N9030B c диапазоном измерений от 4 Гц до 26,5 ГГц. Спектры частотно-модулированного сигнала, излучаемого ПНВА и МНВА, измерялись с использованием встроенного измерительного приложения анализатора N9030B для исследования сигнала с аналоговой модуляцией, обладающего возможностью выделения модулирующего сигнала.
Результаты измерений спектров
На рис. 3 представлены спектры мощности сигнала, излученного МНВА и ПНВА. Данные спектры измерены вблизи несущей частоты f0 = 446 МГц в полосе шириной 50 кГц. В представленных на рис. 3 спектрах видны компонент на частоте несущего колебания f0 и компоненты на частотах f0 ± F с отстройкой 5 кГц. Кроме того, в спектре видны компоненты на частотах f0 ± 2F, f0 ± 3F и т. д. Следует отметить, что мощность на частоте несущего колебания сигнала, излучаемого ПНВА, на 12,2 дБ меньше, чем мощность сигнала, излучаемого МНВА. Разница мощности сигналов ПНВА и МНВА на комбинационных частотах f0 ± F составляет 12,21 дБ. Отсюда следует вывод, что соотношение мощности информационного сигнала на частотах f0 ± F и мощности сигнала на несущей частоте f0 одинаковы для случаев ПНВА и МНВА. При этом соотношение мощности информационного сигнала на частотах f0 ± F и мощности нелинейных компонентов на комбинационных частотах f0 ± 2F и f0 ± 3F лучше для сигнала, излучаемого ПНВА. Подробные численные данные представлены в таблице.
С помощью программного обеспечения анализатора сигналов PXA N9030B для детектирования сигнала были исследованы спектры мощности низкочастотного модулирующего колебания (рис. 4). Из представленных на рисунке спектров видно, что на частоте модулирующего колебания 5 кГц мощность детектированного сигнала для ПНВА и МНВА одинакова и составляет –62,14 дБм. Компонента на второй гармонике модулирующего колебания у сигнала от плазменной несимметричной вибраторной антенны на 8,35 дБ меньше, чем для случая с металлической антенной, что косвенно свидетельствует об улучшении соотношения сигнал / шум при излучении ЧМ-сигнала ПНВА.
Таким образом, в рамках исследования излучения ЧМ-сигнала плазменной и металлической несимметричными вибраторными антеннами было показано, что модулированный сигнал, излучаемый плазменной антенной, в целом не уступает по качеству сигналу от металлической антенны, а по некоторым параметрам даже превосходит. Мощность нелинейных комбинационных частот в спектре ЧМ-сигнала ПНВА заметно ниже, чем в спектре сигнала, излучаемого МНВА. В спектре детектированного сигнала видно снижение мощности на второй гармонике частоты модулирующего колебания для сигнала от плазменной антенны в сравнении с сигналом от металлической антенны.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-08-00859 а.
Полученные результаты были представлены на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («РАДИОИНФОКОМ‑2017») [11].
Литература
1. Borg G. G., Harris J. H., Miljak D. G., et al. Application of Plasma Columns to Radio-Frequency Antennas // Applied Physics Letters. 1999. Vol. 74. No. 22. P. 3272.
2. Rayner J. P., Whichello A. P., Cheetham A. D. Physical characteristics of plasma antennas // IEEE Trans. on plasma science. 2004. Vol. 32. Is. 1. P. 269.
3. Alexeff I., Anderson T., Parameswaran S., et. al. Experimental and theoretical results with plasma antennas // IEEE Trans. on plasma science. 2006. Vol. 34. Is. 2. P. 166.
4. Istomin E. N., Karfidov D. M., Minaev I. M., et. al. Plasma Asymmetric Dipole Antenna Excited by a Surface Wave // Plasma Physics Reports. 2006. Vol. 32. Is. 5. P. 388.
5. Lv J. W. Song Li Y., Li Chen Z. Two-Dimensional Models of Cylindrical Monopole Plasma Antenna Excited by Surface Wave // WSEAS Transactions on Communications. 2011. Vol. 10. Is. 11. P. 323.
6. Kiss’ovski Z., Vachkov V. Radiation of Monopole Microwave Plasma Antenna // International Journal of Engineering & Advanced Technology (IJEAT). 2016. Vol. 5. Is. 5. P. 10.
7. Bogachev N. N., Bogdankevich I. L., Gusein-zade N. G., et al. Surface wave and linear operating mode of a plasma antenna // Plasma Physics Reports. 2015. Vol. 41. Is. 10. P. 792.
8. Belyaev B. A., Leksikov An. A., Leksikov A. A., et. al. Nonlinear Behavior of Plasma Antenna Vibrator // IEEE Trans. on Plasma Science. 2014. Vol. 42. Is. 6. P. 1552.
9. Bogachev N. N., Bogdankevich I. L., Gusein-zade N. G. Operation modes and signal spectra of plasma asymmetrical dipole antenna // 10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), 2016. doi: 10.1109/EuCAP.2016.7481512.
10. Богачев Н. Н., Гусейн-заде Н. Г., Нефёдов В. И. Диаграмма направленности и спектр излучения плазменной несимметричной вибраторной антенны // Сб. тезисов докладов X конференции "Современные средства диагностики плазмы и их применение, 14–16 ноября 2016, г. Москва, С. 25–28.
Отзывы читателей
