ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 6 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Особенности построения модели зеркальной антенны с учетом влияния метеорологических факторов

М.Ю. Звездина1,2, А.М. Шапошникова2, Ю.А. Шокова1, Д.С. Федоров2

1 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
2 Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи, Ростов-на-Дону, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.6.9 УДК 621.396.67 EDN IXXNWW

Аннотация

Приводится электродинамическая модель однозеркальной антенны миллиметрового диапазона длин волн, в рефлекторе которой находится слой водных осадков в виде лужи. Для обоснования необходимости разработки модели выполнена оценка влияния метеорологических осадков при проектировании зеркальных антенн миллиметрового диапазона длин волн, сформулирована цель исследований: разработка электродинамической модели параболического рефлектора зеркальной антенны со слоем водных осадков, параметры которого выбраны с учетом климатического района размещения. Выполнен анализ известных моделей однозеркальных антенн со слоем осадков, показавший, известные модели не описывают процесс функционирования зеркальной антенны миллиметрового диапазона длин волн с рефлектором, в котором образовалась лужа воды. Для оценки влияния данного образования на характеристики направленности антенны предложено использовать апертурный метод, используемый для зеркальных антенн с дефектами профиля рефлектора. Приводятся результаты моделирования диаграммы направленности зеркальной антенны с лужей в рефлекторе. Показано, что появление лужи приводит к несимметричному изменению уровня первых боковых лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости изменения наблюдаются в росте уровня боковых лепестков, кроме первого. Симметрия лепестков при этом не нарушается. Предмет исследования: процесс излучения электромагнитной волны миллиметрового диапазона длин волн однозеркальной антенной со слоем водных осадков в рефлекторе. Объект исследования: система «рефлектор зеркальной антенны со слоем водных осадков - электромагнитная волна миллиметрового диапазона длин волн». Методология: метод метеорологического электромагнетизма, модифицированный апертурный метод, модифицированный метод Ruze, метод статистической метеорологии. Основной результат: разработана система беспроводной связи с помощью магнитной компоненты электромагнитного поля. Практическая значимость: результаты исследований могут быть полезны при разработке зеркальных антенн миллиметрового диапазона длин волн для оценки влияния метеорологических осадков на характеристики направленности. Материалы статьи докладывались на VIII Всероссийской микроволновой конференции «Microwaveweek- 2022».

  • зеркальная антенна
  • электродинамическая модель
  • метеорологические факторы
  • слой осадков в виде лужи в рефлекторе
  • характеристики направленности
Abstract (in English)

Mirror antenna modelling characteristics regarding the influence of meteorological factors

An electrodynamic model of a millimeter-range single-mirror antenna with a puddle in the reflector is given. As a justification for the need for a model, the influence of rainfall on the design of millimeter-range mirror antennas was assessed. The aim of the study was to create a model of the parabolic reflector of a mirror antenna with an aqueous precipitation layer, with parameters chosen for the climatic region in which the antenna is located. An analysis of known models of single mirror antennas with a layer of precipitation has been carried out. It has been shown that the known models do not describe the operation of a millimeter-range mirror antenna with a reflector in which a puddle of water has formed. It is suggested that the influence of this layer on the directional characteristics of the antenna be assessed with the aperture method used for mirror antennas with reflector profile defects. The results of the modelling of the directivity pattern of a mirror antenna with a puddle of water in the reflector are presented. It is shown that the appearance of a puddle leads to an asymmetric change in the height of the first side lobes of the directivity pattern in the vertical plane. In the horizontal plane, changes are observed in the growth level of each side lobe, except for the first one. The lobes' symmetry is not affected. Research focus: The process of emitting a millimeter electromagnetic wave using a single mirror antenna with a layer of water in the reflector. Subject of the study: "Mirror antenna reflector with water precipitation layer - millimeter wavelength electromagnetic wave" system. Methods: Electromagnetic meteorological method, modified aperture method, modified Ruze method, statistical meteorological method. Main result: A wireless communication system using the magnetic component of the electromagnetic field has been developed. Practical relevance: The results of this research may be useful in the design of millimeter-range mirror antennas to assess the influence of meteorological precipitation on the directivity characteristics. The work was presented at the VIII All-Russian Microwave Conference "Microwave week 2022" in Moscow.

Для цитирования

Звездина М.Ю., Шапошникова А.М., Шокова Ю.А., Федоров Д.С. Особенности построения модели зеркальной антенны с учетом влияния метеорологических факторов // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 6. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.6.9

Литература

  1. Skolnik M.I. Radar Handbook. 3nd ed. 2008. New York, McGraw-Hill. 1352 p.
  2. Kurri M., Huuskonen A. Measurement of the transmission loss of a radome at different rain intensities. Journal of atmospheric and oceanic technology. 2008. V.25. P.1590-1599. https://dx.doi.org/10.1175/2008JTECHA1056.1
  3. Ain M.F., Hassan S.I.S., Marzuki A., Ab RahmanI.I., Norhassim K.A., Arifen N.A.M., Zahar Z. Measurement of wet offset parabolic antenna at Ka-band with different elevation angles. ELEKTROPIKA: International Journal of Electrical, Electronic Engineering and Technology. 2012. V.2. P.47-56.
  4. Mom J., Tyokighir S., Igwue G. Evaluation of some raindrop size distribution models for different rain rates.International Journal of Engineering Research & Technology. 2021. V.10. https://doi.org/10.17577/IJERTV10IS090075
  5. Сухаревский О.И., Нечитайло С.В., Хлопов Г.И., Войтович О.А. Влияние снежного покрова на характеристики излучения рефлекторных антенн. Радиотехника и электроника. 2015. Т.60. №6. С. 633-641. https://dx.doi.org/10.7868/S0033849415060157
  6. Zvezdina M.Yu., Shokova Yu.A., Shaposhnikova A.M. Chrekesova L.V. Climate Factors Impact on Millimetre Antenna Losses. Proceeding of International Scientific Conference "Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves - RSEMW 2021". Gelendzhik District, Divnomorskoe.2021. P. 349-352. https://doi.org/10.1109/RSEMW52378.2021.9494012
  7. Звездина М.Ю., Шапошникова А.М., Шокова Ю.А. Влияние климатических факторов на потери электромагнитной волны миллиметрового диапазона при прохождении через слой осадков на рефлекторе зеркальной антенны. Радиотехника. 2021. №7. С.98-107. https://doi.org/10.18127/j00338486-202107-14
  8. Якимов А.Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий. Пенза, Изд-во ПГУ. 2004. 206 с.
  9. Huang J., Cao Y., Raimundo X., Cheema A., Salous S. Rain statistics investigation and rain attenuation modeling for millimeter wave short-range fixed links. IEEE Access. 2019. V.7. P.156110-156120. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2949437
  10. Yusuf A.A., Falad eA., Olufeagba B.J., Mohammed O.O., Rahman T.A. Statistical Evaluation of measured rain attenuation in tropical climate and comparison with prediction models. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2016. V.15. №2. https://doi.org/10.1590/2179-10742016v15i2624
  11. Daoud N., Christodoulou C., Murrell D., Tarasenko N., Hong E., Lane S. Rain attenuation analysis at 84 GHz. Proceeding of IEEE International Symposium "On Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting". San-Diego, California. 2017. P.1629-1630. URL: https://10.1109/APUSNCURSINRSM.2017.8072857
  12. Kharadly M.M.Z., Ross R. Effect of wet antenna attenuation on propagation data statistics. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2001.V.49. №8. P. 1183-1191. https://doi.org/11.1109/8.943313
  13. Гуртовник И.Г., Соколов В.И., Трофимов Н.Н., Шалгунов Г.С. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков. Москва, Мир. 2022. 368 с.
  14. Solomatin S.V., Rozanov S.B., Kropotkina E.P., Lukin A.N. Techniques of ground-based remote sensing of the ozone layer by millimeter-wave heterodyne spectroscopy. Proceeding of SPIE. 1998. V.3406. P.135-157. https://doi.org/10.1109/MCMB.1998.758918
  15. Patent USA № 9680230B1. Santoru J., Chen E.C., Comeaux C.C., Wu T. Antenna reflector hydrophobic coating and method for applying same. Application Date: 29.06.2015. Publication Date: 13.06.2017. 21 p. URL: https://patents.google.com/patent/US9680230
  16. Blevis B.C. Losses due to rain on radomes and antenna reflecting surfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1965. V.13. №1. P.175-176. https://doi.org/10.1109/TAP.1965.1138384
  17. Jacobson M.D., Hogg D.C., Snider J.B. Wet reflector in millimeter-wave radiometry - Experiment and Theory. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1986. V.24. №5. P.784-791. https://doi.org/10.1109/TGRS.1986.289627
  18. Николаев П.В., Самбуров Н.В. Радиопрозрачные укрытия на основе листового фторопласта. Вопросы радиоэлектроники. 2016. №10. С.77-84.
  19. Голунов В.А., Кузьмин А.В., Скулачев Д.И., Хохлов Г.И. Экспериментальные спектры ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом свежевыпавшем снеге. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2016. №9. URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep16/4/text.html
  20. Recommendation ITU-R P.527-6 (09/2021). Electrical characteristics of the surface of the Earth. Geneva, ITU. 2021. 32 p.
  21. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1. Москва, Наука. 1970. 492 с.
  22. Звездина М.Ю., Шапошникова А.М., Шокова Ю.А. Математическая модель процесса накопления воды в рефлекторе зеркальной антенны миллиметрового диапазона длин волн. Сборник трудов XXVIII Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC*2022). Воронеж. 2022. Т.5. С.131-144.
  23. Notaroš B.M. Meteorological electromagnetics.IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2021. P.14-27. https://doi.org/10.1109/MAP.2021.3054298
  24. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. В 2-х ч. Ч.1. Москва, Связь.1977. 384 с.
  25. Liu Y., Huang F., Zhang Q., Yuan J., Dong T. Calculations of radiation characteristics of reflector antennas with surface deformation and perforation.Computers and Mathematics with Applications. 2011. V.61. P.2348-2352. https://dx.doi.org/10.1016/j.camwa.2010.10.007
  26. Ip H.P., Rahmat-Samii Y. Analysis and characterization of multilayered reflector antennas: rain/snow accumulation and deployable membrane. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1998. V.46. P.1593-1605. https://doi.org/10.1109/8.736606
  27. Patent USA № 2679004A. Dyke E., Hoffman Jr. R. Y. Snow detector and heater system for microwave antennas. Application Date: 21.12.1951. Publication Date: 19.05.1954. 21 p. URL: https://patents.google.com/patent/US2679004A/en
  28. Mancini A., Salazar J.L., Lebrón R.M., Boon L.C. A novel instrument for real-time measurement of attenuation of weather radar radome including its outer surface. Part II: Applications. Journal of atmospheric and oceanic technology. 2018. V.35. №5. P.975-991.
  29. Наставления по службе прогнозов. Москва, Гидрометеоиздат. 1981. 56 с.
  30. Дохов М.П. Расчет времени испарения дисперсных частиц. Фундаментальные науки. 2006. №10. С.65-66.
  31. Жиров В.А., Зайцев С.Г., Орлов А.Е. Эффективность использования частотно-энергетического ресурса в перспективных высокоскоростных спутниковых системах связи. Электросвязь. 2019. №1. С.42-51.
  32. Gang W.Z., Zhu F., Zhu L., Tao W.-Q., Yang C. Self-peeling of frozen water impacting a cold surface.Communications Physics. 2022. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00827-0
  33. He Z., Zhuo Y., Zhang Z., He J. Design of icephobic surfaces by lowering ice adhesion strength: A mini review. Coatings. 2021. №11. Article ID 1343. 26 p. https://doi.org/10.3390/coatins11111343
  34. Rodie P., Kapun B., Panjan M., Milošev I. Easy and fast fabrication of self-cleaning and anti-icing perfluoroalkyl silane film on aluminium. Coatings. 2020. №10. Article ID 234. https://doi.org/10.3390/coatins110030234
  35. Логанина М.И. Исследование кинетики замерзания капли воды на супергидрофобной поверхности покрытий. Вестник МГСУ. 2019. Т.14. №4. С.435-441. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2019.4.435-441
  36. Шилова О.А., Цветкова И.Н., Красильникова Л.Н., Ладилина Е.Ю., Любова Т.С., Кручинина И.Ю. Синтез и исследование супергидрофобных антиобледенительных гибридных покрытий. Транспортные системы и технологии. 2015. Т.1. №1. С.91-98.
  37. Patent USA № 7342551 B2. King L.D.Antenna systems for reliable satellite television reception in moisture conditions. Application Date: 13.10.2004. Publication Date: 11.03.2008. 21 p. URL: https://patents.google.com/patent/US7342551B2/en
  38. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерный устройства. Москва, Сов. Радио. 1974. 536 с.
  39. Ruze J. The effect of aperture errors on the antenna radiation pattern. Nuovo Cimento. 1952. V.9. №3. P.364-380. https://doi.org/10.1007/BF02903409
  40. Cheng S.X., Duan B.Y., Song L.W., Zhang X.H.A. A handy formula for estimating the effects of random surface errors on average power pattern of distorted reflector antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2019. V.67. №1. P.649-653. https://dx.doi.org/10.1109/TAP.2018.28798298
  41. Assis A.R., Moreira F.J.S., Bergmann J.R. GO synthesis of offset dual reflector antennas using local axis-displaced confocal quadrics. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications. 2020. V.19. №2. P.177-190. https://dx.doi.org/10.1590/2179-10742020v19i2813
  42. Zhang S., Yang G., Zhang Y. An approximation mathematical formula of pattern analysis for distorted reflector antennas considering surface normal vector variation.International Journal of Antennas and Propagation. 2016. V.2016. Article ID 4824873. https://dx.doi.org/10.1155/2016/4824873
  43. Moreira F.J.S., Bergmann J.R. Shaping axis-symmetric dual-reflector antennas by combining conic sections. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V.59. №3. P.1042-1046. https://doi.org/10.1109/TAP.2010.2103028
  44. Лаврецкий Е.И., Чернышов В.С. Исследование влияния регулярных фазовых ошибок на характеристики зеркальной параболической антенны с электрическим сканированием. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2015. №3. URL: http://www.jre.cplire.ru/mar15/11/text.html
  45. Лаврентьева А.С., Морозов О.А., Чуманкин Ю.Е. Определение параметров диаграммы направленности при сложных деформациях рефлектора зеркальной антенны. Системы управления и информационные технологии. 2020. №3(81). С. 31-35.
  46. Соболев Б.С., Новиков С.И. Модифицированный апертурный метод расчета зеркальных антенн. Ракетно-космическая техника. 2014. Т.1. №1(4). С. 10-14.