Влияние импедансной поверхности цилиндра на характеристики излучения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Крестообразные электрические вибраторы находят самое широкое применение в антенной технике и как одиночные излучатели, и как излучающие элементы антенных решеток. Часто такие излучатели располагаются вблизи цилиндрических несущих конструкций, которые обладают импедансными свойствами. Наличие указанных конструкций приводит к эффектам деполяризации электромагнитных волн [1-5], что может существенным образом исказить характеристики направленности крестообразного вибратора. Несмотря на достаточно большое число работ, посвященных исследованию влияния цилиндрических идеально проводящих поверхностей на характеристики излучения различным образом ориентированных вибраторов, например, [6, 7], аналогичные аспекты для импедансных поверхностей не нашли своего должного рассмотрения.

Целью данной статьи является исследование влияния импедансной поверхности бесконечного кругового цилиндра на диаграмму направленности (ДН) и поляризационные характеристики крестообразного электрического вибратора.

Рассмотрим крестообразный излучатель, образованный продольным и поперечным дуговым электрическими вибраторами, расположенными на удалении от оси импедансного кругового цилиндра радиуса . Длина плеча каждого из вибраторов равна и соответственно. Геометрия задачи приведена на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия задачи

С использованием известных интегральных соотношений ДН крестообразного излучателя определяется выражением

. (1)

В соотношении (1) - решение в точке с радиус-вектором задачи дифракции плоской электромагнитной волны на импедансном круговом цилиндре радиуса , приходящей с направления , вектор во фронте которой имеет только -компоненту; - распределения стороннего тока в плечах крестообразного вибратора; - волновое число; - длина волны в свободном пространстве. Зависимость всех величин от времени, определяемая множителем , здесь и в дальнейшем опущена.

Поскольку электродинамические и геометрические параметры цилиндра не зависят от координаты z, решение задачи будем искать в предположении, что рассеянное поле имеет такую же зависимость от координаты z, как и в падающей волне, т.е. в квазитрехмерном приближении [9, 10]. Падающее поле при таком подходе может быть описано соотношением:

, (2)

в котором верхняя и нижняя строки соответствуют случаям вычисления - и - компонент ДН; - амплитуда электрического поля во фронте падающей волны; - функция Бесселя -го порядка; Ом.

Поскольку сигнал произвольной поляризации может быть представлен в виде суперпозиции двух линейно поляризованных колебаний, достаточно рассмотреть случай, когда в падающей волне продольную компоненту имеет только вектор или вектор . Однако в рассеянном поле для импедансной поверхности, как показано в [9-11], продольную компоненту имеют уже оба поля.

Продольные компоненты рассеянного поля будем искать в виде:

, (3)

крестообразный деполяризация вибратор электромагнитный

где - функция Ганкеля 2-го рода n-го порядка.

Поперечные компоненты электромагнитного поля могут быть определены с использованием соотношений [11]

(4)

На поверхности кругового цилиндра должны выполнять импедансные граничные условия вида [9]:

 (5)

где - величина поверхностного импеданса.

При дифракции -волны обозначим через продольную компоненту напряженности полного электрического поля, а через - продольную кросс поляризационную компоненту напряженности рассеянного магнитного поля (в падающем поле данная компонента равна нулю). При дифракции -волны (-поляризация) через обозначим продольную компоненту напряженности полного магнитного поля, а через - продольную компоненту напряженности рассеянного электрического поля (в падающем поле данная компонента равна нулю). После введения данных обозначений полные поля задач дифракции могут быть записаны в виде:

(6)

(7)

для -волны и

(8)

(9)

для -волны (-поляризация).

В соотношениях (6)-(9) введены обозначения: ; . Используя результаты работ [12, 13], запишем выражения для коэффициентов и в следующем виде:

; ;

; ;

;

;

;

;

;

;

 - нормированный поверхностный импеданс; - производные функции Бесселя n-го порядка и Ганкеля 2-го рода n-го порядка соответственно.

Подстановка выражений (4), (6)-(9) в соотношение (1) позволяет записать - и -компоненты ДН крестообразного излучателя в виде:

, (10)

. (11)

Формулы (10), (11) при известном законе распределения тока в излучателе полностью описывают - и -компоненты векторной диаграммы направленности крестообразного вибратора, расположенного вблизи импедансного кругового цилиндра. На основе данных выражений несложно определить и поляризационные характеристики излучателя.

Для того, чтобы выявить закономерности, связанные только с влиянием импедансных свойств поверхности цилиндра на характеристики излучения крестообразного вибратора, в исследованиях рассматривался случай вибратора с плечом малой длины (крестообразный диполь). В этом случае токи в плечах излучателя описываются законами:

;

,

в которых - координаты центра крестообразного вибратора; - электрический момент каждой пары плеч излучателя.

Значения нормированного поверхностного импеданса , как показано в [4, 12], определяются соотношением

, (12)

где - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости используемого диэлектрического материала, наносимого на металлический круговой цилиндр; d - толщина покрытия.

Результаты исследования диаграммы направленности по мощности и коэффициента эллиптичности в зависимости от толщины покрытия и радиуса кругового цилиндра приведены на рис.2-7. Кривые с номером 1 соответствуют случаю идеально проводящей поверхности цилиндра; кривые с номерами 2 и 3 - при нанесении диэлектрического покрытия с параметрами [14]: ; , и соответственно. Значения всех диаграмм направленности нормированы к случаю идеально проводящей поверхности. Удаление излучателя от поверхности цилиндра во всех случаях принимался равным . Рис. 2, 3 иллюстрируют поведение характеристик излучения крестообразного вибратора при радиусе цилиндра , рис.4, 5 - при , рис. 6, 7 - при .

Рис. 2. Зависимость диаграммы направленности от толщины диэлектрического покрытия d при

Рис. 3. Зависимость коэффициента эллиптичности от толщины диэлектрического покрытия d при

Рис. 4. Зависимость диаграммы направленности от толщины диэлектрического покрытия d при

Рис. 5. Зависимость коэффициента эллиптичности от толщины диэлектрического покрытия d при

Рис. 6. Зависимость диаграммы направленности от толщины диэлектрического покрытия d при

Рис. 7. Зависимость коэффициента эллиптичности от толщины диэлектрического покрытия d при

На указанных рисунках левое поле определяет зависимость диаграммы направленности и коэффициента эллиптичности от угла при фиксированном значении угла . Правое поле - зависимость от угла при фиксированном значении угла .

Как следует из приведенных результатов, появление импедансных свойств приводит к значительным изменениям диаграммы направленности в обоих сечениях. В меньшей степени наличие импеданса сказывается на коэффициенте эллиптичности. Однако при направлениях, близких к осевому, в угломестных сечениях как для диаграммы направленности, так и для коэффициента эллиптичности, наблюдаются резкие осцилляции. Причем с увеличением радиуса цилиндра размах осцилляций возрастает. В поперечной плоскости поведение данных характеристик имеет гладкий монотонный характер. В то же время, несмотря на сохранение общего характера поведения коэффициента эллиптичности, могут наблюдаться значительные количественные изменения, достигающие величины порядка 30%. Это проявляется в сужении области, в которой с (для идеально проводящей поверхности) до (для импедансной поверхности).

Литература

1. Звягинцев А.А., Батраков Д.О. Дифракция на эллиптическом импедансном цилиндре // Изв. вуз. Радиофизика. 1981. Т.32. №9. С.1125-1131.

2. Звягинцев А.А., Батраков Д.О. Деполяризация сигналов при взаимодействии цилиндрических импедансных поверхностей // Отобр. и обраб. инф. (Киев). 1989. №4. С.65-68.

3. Smith T.M., Borison S.L. Depolarization of a circularly polarized wave by an infinite cylinder // IEEE Trans. Antennas and Propag. V.AP-22. 1974. №6. P.796-798.

4. Graglia R.D., Uslenghi P.L.E., Vitiello R., D'Elia U. Electromagnetic scattering for oblique incidence on impedance bodies of revolution // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1995. V.43. №1. P.11-26.

5. Kumar A., Shastry S.V.K. Radiation from dipoles in the presence of dielectric-coated circular cylinder // “J. Inst. Electron. And Telecommun. Eng.”. 1985. V.31. №6. P.184-189.

6. Кашин А.В., Соловьев В.М. Исследование малогабаритной слабонаправленной антенны, расположенной на круговой цилиндрической поверхности // Изв. вуз. Радиоэлектроника. 1982. Т.25. №2. С.78-80.

7. Васильев Е.Н. Возбуждение тел вращения. - М.: Радио и связь, 1987. - 272с.

8. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ /Под ред. Г.З. Айзенберга в 2-х частях. Ч.1. - М.: Связь, 1977. - 384с.

9. Ваганов Р.Б., Каценеленбаум Б.З. Основы теории дифракции. - М.: Наука, 1982.

10. Баранчугов Е.А., Зацепин П.М., Комаров С.А. Квазитрехмерная задача дифракции плоской электромагнитной волны на импедансной ленте // Радиотехника и электроника. Т.43. 1998. №11. С.1291-1295.

11. Уэйт Д.Р. Электромагнитное излучение из цилиндрических систем. - М.: Сов. радио, 1963. - 239с.

12. Zvezdina M.Yu., Stepanov A.S., Kharchenko V.V., Chernov S.V. Scattering plane electromagnetic wave by impedance circular cylinder // Proc. of 3rd Int. Conf. Antenna Theory and Techniq., Sevastopil, Ukraine, 8-11 Sept. 1999, P.173-175.

13. Gabriel'yan D.D., Zvezdina M.Yu. The influence of impedance surface of a circular cylinder on the dipole pattern // Proc. of 3rd Int. Conf. Antenna Theory and Techniq., Sevastopil, Ukraine, 8-11 Sept. 1999, P.113-115.

14. Халлиулин Д.Я., Третьяков С.А. Обобщенные граничные условия импедансного типа для тонких плоских слоев различных сред (обзор) // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. №1. С.16-29.

Размещено на Allbest.ru