Ερευνητές του UESTC παρουσιάζουν υπερ-ευρυζωνική, χαμηλού προφίλ κεραία για εναέριες εφαρμογές Ένα σχέδιο κεραίας χαμηλού προφίλ πανκατευθυντικής με εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης 12:1 θα μπορούσε να προωθήσει τα σύγχρονα συστήματα επικοινωνίας αεροσκαφών

Μπορεί αυτή η εξαιρετικά επίπεδη κεραία να δώσει στα κινεζικά stealth μαχητικά ένα πλεονέκτημα; Η ομάδα του Chengdu τακτοποιεί τα στοιχεία σε μια σφιχτά συνδεδεμένη κυκλική διάταξη για μια πανκατευθυντική κεραία που λειτουργεί σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων

Κινέζοι μηχανικοί ανέπτυξαν μια εξαιρετικά χαμηλού προφίλ, συμπαγή κεραία που θα μπορούσε να επιτρέψει στα stealth αεροσκάφη επόμενης γενιάς να έχουν χαμηλότερη ορατότητα στο ραντάρ, διατηρώντας παράλληλα τις δυνατότητες επικοινωνίας και πλοήγησής τους.

Καθώς οι πολιτικές εντάσεις μεταξύ Κίνας και Ηνωμένων Πολιτειών συνεχίζουν να αυξάνονται, και οι δύο χώρες συνεχίζουν να ενισχύουν τις στρατιωτικές τους δυνατότητες, συμπεριλαμβανομένης της σχεδίασης όλο και πιο ισχυρών stealth μαχητικών αεροσκαφών.

Αυτό περιλαμβάνει μια τεταμένη αντιπαλότητα μεταξύ του κινεζικού stealth αεροσκάφους J-20, γνωστού και ως Mighty Dragon, και του αμερικανικού F-22, για το οποίο κατασκευάστηκε ως απάντηση.

Τα μαχητικά αεροσκάφη διαθέτουν όλο και πιο επίπεδα προφίλ σε μια προσπάθεια να βελτιώσουν την stealth ικανότητα και την αεροδυναμική, ωστόσο η μικροποίηση των παραδοσιακά ογκωδών κεραιών αεροσκαφών έχει αποδειχθεί πρόκληση.

Οι Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα κεραία της οποίας το ύψος είναι μόλις ένα κλάσμα του μήκους κύματός της για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο.

Διαθέτει οκτώ στοιχεία κεραίας τοποθετημένα σε μια κυκλική διάταξη σε έναν σχεδιασμό που θα μπορούσε να της επιτρέψει να ενσωματωθεί απρόσκοπτα στα αεροσκάφη χωρίς να θέτει σε κίνδυνο το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας της.

«Αυτή η κεραία έχει ύψος προφίλ μόλις 0,047 φορές το μήκος κύματος χαμηλής συχνότητας», δήλωσε η ομάδα σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο τεύχος Δεκεμβρίου του peer-reviewed Journal of Electronic Science and Technology.

Πανκατευθυντική κεραία εξαιρετικά χαμηλού προφίλ αερομεταφερόμενη υπερευρείας ζώνης. Διάγραμμα δομής του στοιχείου σφιχτά συνδεδεμένης μακριάς υποδοχής: (α) Παραδοσιακό στοιχείο και (β) Στοιχείο με τοίχο βραχυκυκλώματος. Εικόνα: Φυλλάδιο

Η κεραία θα μπορούσε να προστεθεί σε επίπεδες δομές στα αεροσκάφη χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την αεροδυναμική απόδοση, και ο συμμορφούμενος σχεδιασμός της θα της επέτρεπε να ενσωματώνεται καλύτερα στο αεροσκάφος και να ελαχιστοποιεί την διατομή ραντάρ.

Ο Yang Feng, συγγραφέας της μελέτης και αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Ηλεκτρονικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (UESTC), δήλωσε ότι η προτεινόμενη κεραία της ομάδας έδειξε «πολλά υποσχόμενο δυναμικό σε εφαρμογές αερομεταφερόμενων κεραιών», σύμφωνα με δήλωση που δημοσιεύτηκε από το περιοδικό την Τρίτη. Η αερομεταφερόμενη κεραία σχεδιάστηκε από ερευνητές στο UESTC και το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Τεχνολογίας Νοτιοδυτικής Κίνας, και τα δύο με έδρα το Chengdu στην επαρχία Sichuan της νοτιοδυτικής Κίνας.

Ενώ μια κεραία ύψους μόλις 5 χιλιοστών είχε δημιουργηθεί προηγουμένως, οι ερευνητές σημείωσαν ότι μπορούσε να λειτουργήσει μόνο σε ένα πολύ στενό εύρος συχνοτήτων που περιόριζε τις αερομεταφερόμενες εφαρμογές της. Η αύξηση του εύρους συχνοτήτων της απαιτούσε αύξηση του ύψους της.

Η κεραία διαθέτει οκτώ στοιχεία τοποθετημένα σε μια κυκλική διάταξη, πράγμα που επιτρέπει την ενσωμάτωσή της στη δομή του αεροσκάφους χωρίς να επηρεάζει την αεροδυναμική του απόδοση ή τις περιοχές συχνοτήτων στις οποίες λειτουργεί. Επιπλέον, η νέα κεραία βελτιώνει τη μεταμφίεση του μαχητικού, μειώνοντας την υπογραφή θερμότητας και δυσκολεύοντας την ανίχνευσή του από τα ραντάρ.

Η ομάδα επέλεξε να τακτοποιήσει τα στοιχεία της κεραίας σε μια σφιχτά συνδεδεμένη κυκλική διάταξη για να δημιουργήσει «μια εξαιρετικά χαμηλού προφίλ» κεραία που λειτουργεί σε ευρύ φάσμα συχνοτήτων και είναι πανκατευθυντική – που σημαίνει ότι μπορεί να εστιάσει σήματα προς όλες τις κατευθύνσεις.

Σύμφωνα με τη δήλωση του περιοδικού, οι ερευνητές μπόρεσαν να το επιτύχουν αυτό κάνοντας την ηλεκτρική διαδρομή της κεραίας μεγαλύτερη από το φυσικό της μήκος.

Η νέα έκδοση της κεραίας ξεπερνά τους περιορισμούς της προηγούμενης, η οποία ήταν μεγαλύτερη και λειτουργούσε μόνο σε στενές περιοχές συχνοτήτων. Αναδιαρθρώνοντας τα στοιχεία της κεραίας σε κυκλική διάταξη, οι μηχανικοί κατάφεραν να διευρύνουν την περιοχή λειτουργίας χωρίς να αυξήσουν το μέγεθος, διατηρώντας παράλληλα τη μεταμφίεση του αεροσκάφους.

Ο σχεδιασμός της κεραίας περιλαμβάνει επίσης έναν τοίχο βραχυκυκλώματος για να βοηθήσει στον έλεγχο της ροής του ρεύματος, και διαθέτει μια ειδική επιφάνεια για να απορροφά την επιπλέον ενέργεια – κάτι που θα την καθιστούσε πιο δύσκολο να εντοπιστεί από ραντάρ.

Η μελέτη και η δημοσίευση της, μια πραγματικά καλή και απλή φαινομενικά εργασία με μεγάλη απόδοση, πάντα διαβάζω της δημοσιευμένες μελέτες πριν δημοσιεύσω κάτι ή ψάχνω για ώρες όλα τα δεδομένα:

Ερευνητές του UESTC παρουσιάζουν υπερ-ευρυζωνική, χαμηλού προφίλ κεραία για εναέριες εφαρμογές Ένα σχέδιο κεραίας χαμηλού προφίλ, πανκατευθυντικής με εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης 12:1 θα μπορούσε να προωθήσει τα σύγχρονα συστήματα επικοινωνίας αεροσκαφών

Δημοσίευση με Κριτική από Ομοτίμους

Περιοδικό Ηλεκτρονικής Επιστήμης και Τεχνολογίας

Υπερ-ευρυζωνική, χαμηλού προφίλ κεραία για αεροσκάφη επόμενης γενιάς. εικόνα:

Η υπερ-ευρυζωνική, πανκατευθυντική κυκλική κεραία δακτυλίου έχει ύψος 0,047 φορές το μήκος κύματος χαμηλής συχνότητας και πλάτος 0,19 φορές το μήκος κύματος, προσφέροντας εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης 12:1. Αυτό το συμπαγές σχέδιο δείχνει πολλά υποσχόμενο δυναμικό για ενσωμάτωση σε αεροσκάφη χωρίς να διακυβεύεται η μυστικότητα ή η αεροδυναμική αποδοτικότητα.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674862X24000570?via%3Dihub

Καθώς οι ικανότητες μυστικότητας και η αεροδυναμική απόδοση γίνονται ουσιαστικές, τα σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη σχεδιάζονται με πιο επίπεδα προφίλ για να ελαχιστοποιήσουν την υπογραφή τους στο ραντάρ και να βελτιώσουν την αεροδυναμική αποδοτικότητα. Αυτά τα αεροσκάφη διαθέτουν σχέδιο πτέρυγας πτήσης που μοιάζει με επίπεδη πλάκα και διαμόρφωση χωρίς ουρά, μειώνοντας σημαντικά την επιφάνεια που ανιχνεύεται από το ραντάρ. Ωστόσο, αυτά τα λεία σχέδια θέτουν προκλήσεις κατά την ενσωμάτωση συστημάτων επικοινωνίας και πλοήγησης.

Οι παραδοσιακές κεραίες, που είναι ογκώδεις και προεξέχουν από το αεροσκάφος, μπορούν να εντοπιστούν εύκολα από το ραντάρ. Για να διατηρηθεί τόσο η μυστικότητα όσο και η αεροδυναμική απόδοση, απαιτούνται συμπαγείς κεραίες που ενσωματώνονται απρόσκοπτα στη δομή του αεροσκάφους. Προς το παρόν, κεραίες τόσο μικρές όσο 5 χιλιοστά μπορούν να ενσωματωθούν στην επιφάνεια των αεροσκαφών. Ωστόσο, αυτές οι κεραίες λειτουργούν συνήθως σε ένα στενό εύρος συχνοτήτων από 2,3 GHz – 2,5 GHz. Για να καλύψουν ένα ευρύτερο εύρος (150 MHz–600 MHz), το ύψος της κεραίας πρέπει να αυξηθεί σε 0,39 φορές το μήκος κύματος, καθιστώντας την πολύ μεγαλύτερη από το αρχικό μέγεθος των 5 χιλιοστών.

Σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Περιοδικό Ηλεκτρονικής Επιστήμης και Τεχνολογίας, ερευνητές από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Τεχνολογίας Νοτιοδυτικής Κίνας και το Πανεπιστήμιο Ηλεκτρονικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (UESTC) παρουσίασαν μια πανκατευθυντική κυκλική κεραία δακτυλίου που είναι τόσο υπερ-ευρυζωνική όσο και χαμηλού προφίλ. Υπό την καθοδήγηση του Αναπληρωτή Καθηγητή Φενγκ Γιανγκ του UESTC, η ερευνητική ομάδα παρουσίασε μια κεραία με ύψος προφίλ μόλις 0,047 φορές το μήκος κύματος χαμηλής συχνότητας, καθιστώντας την σημαντικά μικρότερη και ικανή να καλύπτει ένα ευρύτερο εύρος συχνοτήτων. Το άρθρο αυτό δημοσιεύτηκε διαδικτυακά στις 7 Νοεμβρίου 2024 και εκδόθηκε στον Τόμο 22, Τεύχος 4 του περιοδικού την 1η Δεκεμβρίου 2024.

«Προτείνουμε μια εναέρια υπερ-ευρυζωνική κυκλική κεραία δακτυλίου συμμορφούμενης διάταξης βασισμένη στο τυπικό στενά συνδεδεμένο υπερ-ευρυζωνικό στοιχείο μακράς υποδοχής και τις παραδοσιακές μεθόδους μικροποίησης των πανκατευθυντικών κεραιών,» εξηγεί ο Δρ. Γιανγκ.

Η ερευνητική ομάδα πέτυχε τη μικροποίηση επεκτείνοντας τη διαδρομή ρεύματος της κεραίας, καθιστώντας την ηλεκτρικά μεγαλύτερη από το φυσικό της μέγεθος. Το σχέδιο περιλαμβάνει δύο στενά συνδεδεμένες διπολικές κεραίες διατεταγμένες σε κυκλικό μοτίβο, με το επίπεδο H (που αντιστοιχεί στο μαγνητικό πεδίο) ευθυγραμμισμένο με την κατεύθυνση της διάταξης. Κάθε κεραία είναι σχεδιασμένη με μια μακρά υποδοχή ανοίγματος, η οποία διαμορφώνει τη ροή του ρεύματος και επιτρέπει στην κεραία να λειτουργεί σε ένα ευρύ εύρος συχνοτήτων. Τα στοιχεία τροφοδοτούνται με ίση ισχύ εντός φάσης, εξασφαλίζοντας σταθερή ισχύ σήματος σε όλα τα στοιχεία.

Για να επιτευχθεί ένα σχέδιο χαμηλού προφίλ, η κεραία χρησιμοποιεί δύο στοιχεία συνδεδεμένα με έναν διαχωριστή ισχύος κατά μήκος της κατεύθυνσης του επιπέδου Ε (ηλεκτρικό πεδίο). Ωστόσο, η χρήση μόνο δύο στοιχείων οδηγεί σε επιπτώσεις στα άκρα, όπως απώλεια ρεύματος στα άκρα και ασυμφωνία σύνθετης αντίστασης. Για να επιλυθεί αυτό, ενσωμάτωσαν έναν τοίχο βραχυκυκλώματος, ο οποίος αντανακλά τα ηλεκτρικά πεδία σαν καθρέφτης και βοηθά στον έλεγχο της ροής του ρεύματος κατά μήκος της κεραίας. Επίσης, τοποθέτησαν συγκεντρωμένες αντιστάσεις στα κενά του τοίχου για να απορροφήσουν τα ανακλώμενα κύματα από τα άκρα.

Για να μειωθεί περαιτέρω η παρεμβολή από την αντανάκλαση του εδάφους, οι ερευνητές τοποθέτησαν μια επιλεκτική επιφάνεια συχνότητας με αντίσταση μεταξύ της κεραίας και του μεταλλικού εδάφους. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι αυτή η επιφάνεια απορροφά πάνω από το 30% της ανακλώμενης ενέργειας, ιδιαίτερα σε υψηλότερες συχνότητες όπου η παρεμβολή είναι πιο έντονη, βελτιώνοντας έτσι τη συνολική απόδοση.

Αυτό οδηγεί σε μια εξαιρετικά συμπαγή, υπερ-χαμηλού προφίλ πανκατευθυντική κυκλική διάταξη με οκτώ στοιχεία, με ύψος μόλις 0,047 φορές το μήκος κύματος χαμηλής συχνότητας και πλευρική διάμετρο 0,19 φορές το μήκος κύματος. Η κεραία λειτουργεί σε ένα ευρύ εύρος συχνοτήτων, επιτυγχάνοντας εύρος ζώνης σύνθετης αντίστασης κοντά στο 12:1, διατηρώντας παράλληλα έναν ενεργό λόγο στάσιμου κύματος τάσης (VSWR) σταθερά κάτω από 3, υποδεικνύοντας αποδοτική λειτουργία με ελάχιστη απώλεια ενέργειας. Επιπλέον, εξασφαλίζει επίσης καλές πανκατευθυντικές χαρακτηριστικές ακτινοβολίας, με μοτίβα κέρδους ελεγχόμενα εντός 3 dB σε ολόκληρο το εύρος λειτουργίας, καθιστώντας την ιδανική για πολυλειτουργικές εφαρμογές κεραιών αεροσκαφών.

«Η προτεινόμενη στενά συνδεδεμένη υπερ-ευρυζωνική χαμηλού προφίλ πανκατευθυντική κυκλική κεραία δακτυλίου συμμορφούμενης διάταξης παρουσιάζει καλές επιδόσεις όπως υπερ-ευρυζωνικότητα, χαμηλό προφίλ, κάθετη πόλωση και υψηλής κέρδους πανκατευθυντική ακτινοβολία, δείχνοντας πολλά υποσχόμενο δυναμικό σε εφαρμογές κεραιών αεροσκαφών,» λέει ο Δρ. Γιανγκ.

Συνολικά, αυτή η μελέτη παρουσιάζει μια συμπαγή, υψηλής απόδοσης κεραία σχεδιασμένη να ενσωματώνεται απρόσκοπτα σε σύγχρονα stealth αεροσκάφη, επιτρέποντας αποτελεσματική επικοινωνία και πλοήγηση χωρίς να διακυβεύεται η αόρατοτητα στο ραντάρ ή η αεροδυναμική απόδοση.