Алгоритм расчета сверхширокополосной антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритм расчета сверхширокополосной антенны

Халла А.В., Корольков А.В.

Аннотация

В работе рассмотрены нестационарные электромагнитные процессы в раскрыве и в дальней зоне антенны с теоретической и экспериментальной оценкой коэффициента усиления (КУ) антенны, коэффициента стоячих волн (КСВ), диаграммы направленности (ДН), с последующим обобщением и созданием алгоритма расчета СШП антенны.

Ключевые слова: нестационарные электромагнитные процессы, антены.

Annotation

In work the procedure of payments of the superbroadband horn antenna is described at the set signal of the superbroadband generator and dimensions of the antenna.

Key words: superbroadband generator, antenna.

В настоящее время активное развитие науки и техники порождает новые направления использования теоретических трудов созданных ещё в 60-годы прошлого столетия. Так научные работы В. С. Черноусова опубликованные в [2], в настоящее время получили новое осмысление в связи с необходимостью излучать нестационарные сигналы. СШП сигналы находят применения в различных областях начиная от радиолокации и заканчивая передачей информации. Одной из проблем с которой сталкиваются при приеме и излучении подобных сигналов является создание оптимальной антенны.

Н-рупор является наиболее приемлемым для использования в качестве излучателя, так как он имеет закрытую конструкцию и достаточно широкий частотный диапазон. Однако его исполнение и возбуждение требуют высокой прецизионной точности.

Такими же направленными свойствами и отсутствием антенного эффекта, как и Н-рупор, обладает пирамидальная рупорная антенна. В то же время, анализ научной литературы показал, что СШП сигнал трансформируется при прохождении по прямоугольному волноводу, поэтому применение пирамидальных рупорных антенн в качестве излучателей СШП сигналов несколько ограничено.

Поэтому в работе проведена оценка степени трансформации формы СШП сигнала при распространении в пирамидальном рупоре. Классическая пирамидальная рупорная антенна состоит из питающего волновода и раструба. алгоритм сверхширокополосный антенна электромагнитный

Считалось, что на вход питающего волновода с размером широкой стенки в 55 мм подается сигнал Е₀, представляющий собой гармонические колебания на частоте f_н = 6,5 ГГц, модулированные по амплитуде гауссовым импульсом длительностью ф = 0,4 нс (рис. 1).

. (1)

Рис. 1. Сигнал на входе антенны

После разложения Е₀ на спектральные составляющие, скорость распространения каждой составляющей сигнала в прямоугольном волноводе

(2)

Для возврата к временному отображению сигнала необходимо обратное преобразование Фурье с учетом коэффициента затухания и разности фаз. Для определения трансформации формы СШП сигнала оценивается изменение его длительности и амплитуды колебаний на выходе прямоугольного волновода относительно входного сигнала E₀ (t).

При прохождении СШП сигнала по волноводу длиной в 200 мм его длительность увеличилась в 2 раза, а амплитуда колебаний изменилась в среднем на 5 % (рис. 2). Дальнейшее увеличение длины волновода приводит к еще большим изменениям его длительности и амплитуды (рис. 3). Погрешность в расчетах, определяемая по соотношению энергии сигнала на входе и на выходе волновода, составила менее 1 % (0,017 %).

Для снижения степени трансформации СШП сигнала из классической конструкции рупорной антенны надо исключить возбуждающий волновод, а возбуждающий штырь поместить непосредственно в раструб рупора (рис. 4). Кроме того, возбуждающий волновод, как элемент конструкции рупора, имеет наименьшую рабочую полосу и его устранение позволит расширить частотный диапазон облучателя.

Рис. 2. Сигналы на входе и выходе волновода длиной 200 мм

Рис. 3. Сигналы на входе и выходе волновода длиной 1000 мм

Рис. 4. Усеченная пирамидальная рупорная антенна

Частотный диапазон предлагаемой конструкции ограничен сечением волновода в месте питания (на нижних частотах), и высотой рупора (на верхних частотах). Используя (3) - (5), произведена оценка трансформации СШП сигнала при распространении его в рупоре от точки питания до раскрыва (рисунок 5). Получено, что изменение его длительности составляет 5 %, а амплитуда колебаний изменилась в среднем на 2,5 %. Отсюда следует, что трансформацией СШП сигнала в рупоре можно пренебречь.

Рис. 5. Сигналы на входе и выходе рупора длиной 200 мм

Для расчета нестационарного электромагнитного поля облучателя временной способ, основанный на методе Гюйгенса-Кирхгофа, согласно которому в произвольной точке пространства электромагнитное поле dЕ₀ (t) каждой элементарной площадки Гюйгенса на поверхности определяется как

(6)

где Е₀' (t_з) - первая производная возбуждающего поля в раскрыве рупора с учетом времени запаздывания, затраченного на распространение волн от элементарной площадки на поверхности раскрыва рупора ds до точки наблюдения.

Интегрирование по всей поверхности раскрыва рупора (рис. 6) согласно принципу суперпозиции обеспечивает получение временной формы Е_обл (t) негармонического электромагнитного поля СШП сигнала на выходе сверхширокополосного облучателя зеркальной антенны,

(7)

где с'- расстояние, которое проходит волна от элемента раскрыва облучателя до произвольной точки на освещенной поверхности рефлектора,

(8)

и = - получено, исходя из выражения, описывающего параболический рефлектор; f - фокусное расстояние; a_р и b_р - размеры раскрыва рупора; - расстояние от элементарной площадки ds на поверхности раскрыва рупора до точки наблюдения.

Рис. 6. К расчету ДН излучателя антенны

Полученные выражения (7) и (8) являются математической моделью во временной области электромагнитного поля сверхширокополосного излучателя антенны.

Для проверки ее адекватности в разделе произведены расчеты диаграммы направленности ранее известными способами и посредством предложенной модели при излучении гармонического сигнала. Расхождение результатов расчетов составило менее 1 % в области главного лепестка, что обусловлено также и точностью численного метода вычисления интеграла по поверхности раскрыва рупора, реализованным в математической системе MathCad.

На основании разработанных математических моделей электромагнитных полей сверхширокополосных излучателей и антенны, в работе предложен алгоритм синтеза сверхширокополосной антенны, который позволяет определить размеры излучателя, обеспечивающие максимальное значение энергии в направлении нормали к раскрыву рупорной антенны, и достаточно точно рассчитать конструктивные параметры антенны для излучения СШП сигналов.

Далее были произведены экспериментальные исследования макетов антенн. В качестве излучателя использована усеченная рупорная антенна. Сигнал генератора (рис. 8) имеет частотный спектр от 3 до 10 ГГц с центральной частотой 6,8 12 ГГц (рис. 9).

Рис. 7. Алгоритм синтеза сверхширокополосной антенны

Рис. 8. Сигнал генератора

Рис. 9. Спектр сигнала генератора

Размер широкой стенки усеченного рупора в месте питания рассчитывался, исходя из нижней частоты рабочего диапазона облучателя, и оказался равным 55 мм. Узкая стенка рупора должна быть не более половины его широкой стенки и равна 23 мм. Высота рупора вычислялась, исходя из условия равномерного возбуждения раскрыва рупора на верхней границе частотного диапазона и равна 200 мм.

Используя разработанный алгоритм синтеза сверхширокополосной зеркальной антенны, произведена оптимизация размеров раскрыва излучателя для достижения максимальной энергии. Величины а_р и b_p соответственно равны 100 мм и 75 мм. Согласно полученным значениям была создана пара усеченных рупорных антенн (рис. 10).

Рис. 10. Излучатели рупорной антенны

Методом рефлектометрии определена зависимость коэффициента стоячих волн (КСВ) от частоты облучателя (рисунок 11). КСВ полученного облучателя менее 2 в диапазоне от 3 до 10 ГГц, при среднем значении 1,46.

Рис. 11. Зависимость коэффициента стоячих волн от частоты

Исследования направленных свойств макетов излучателей проводились методом двух одинаковых антенн. Экспериментальная установка включала исследуемую антенну и ей идентичную, генератор СШП сигналов с шириной спектра перекрывающего исследуемый диапазон частот, стробоскопический осциллограф с полосой пропускания, обеспечивающей исследования в заданном диапазоне частот и с возможностью записи цифровых данных, а также ЭВМ для обработки результатов измерений и набор коаксиальных кабелей. Антенны устанавливались на расстоянии, обеспечивающем условие дальней зоны (6 м).

Для возбуждения антенн использовался сигнал генератора Trim ТМГ 75045В001, основная часть энергии которого лежит левее нижней границы частотного диапазона излучателя. Поэтому для расчета диаграммы направленности рупора потребовалось оценить трансформацию данного сигнала. Для этого использовались выражения (3) - (6), сравнение результатов математического моделирования с натурными измерениями диаграммы направленности и временной формы сигнала в направлении нормали к раскрыву рупора (рис. 12, 13). Расхождение составило менее 10 %.

Рис. 12. Сигнал в направлении нормали к расрыву облучателя

___ - экспериментальный;

….. - расчетный.

Рис. 13. Диаграммы направленности облучателя для сигнала генератора Trim

___ - экспериментальные;

….. - расчетные.

На рисунке 14 показана определенная экспериментально зависимость коэффициента усиления облучателя от частоты, имеющая значение не менее 12 дБ во всем рабочем диапазоне.

Рис. 14. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Таким образом, экспериментальные исследования показывают, что по сравнению с известными конструкциями синтезированная СШП антенна имеет следующие преимущества: высокая механическая прочность, неподверженность влиянию окружающей среды, отсутствие антенного эффекта, а также отсутствие искажения диаграммы направленности и формы сверхширокополосного сигнала. Следовательно, разработанные математическая модель сверхширокополосного излучателя и алгоритм синтеза сверхширокополосной антенны, адекватны и возможно их применение для разработки антенн перспективных СШП устройств.

Литература

1. Айзенберг Г. З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г. З. Айзенберга. В 2-х частях. Ч. 1. М., Связь, 1977. 384 с.

2. Черноусов В. С. Нестационарное излучение антенных систем. Радиотехника и электроника. Выпуск 8. М., 1965.

3. Халла А. В., Зайцев А. В. Расчет диаграммы направленности рупорной антенны при излучении СШП-сигналов. Научные труды академии. Выпуск 17. Смоленск, ВА В ПВО ВС РФ. 2007. С. 70-72.

Размещено на Allbest.ru