О поляризационных характеристиках зеркальных антенн

Анизотропные импедансные поверхности используются в конструкции облучателей для уменьшения кросссполяризационного излучения. При электродинамическом анализе импедансные поверхности рассматриваются как "локально реагирующие" [20], для нахождения отражённого от них поля используются импедансные граничные условия М.А.Леонтовича, которые имеют вид:

[n, E] = Z [n, [n, H]], (38)

здесь n - единичная нормаль к поверхности, направленная внутрь среды, в которой определяется поле, Z - тензор, вообще говоря анизотропного, импеданса поверхности.

Главный член высокочастотной асимптотики отражённого поля определяется решением задачи о падении плоской волны на анизотропную плоскость. Если рассматривается случай падения плоской волны круговой поляризации с углом падения a, то для коэффициентов отражения плоских волн согласованной и ортогональной круговых поляризаций справедливы следующие выражения:

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Здесь z₀ - волновой импеданс свободного пространства.

При Z = 0, то есть при падении на идеально проводящую плоскость, кополяризованная волна отсутствует, а амплитуда кроссполяризованной волны равна амплитуде падающей.

Для случая скалярного импеданса отражающей поверхности (поверхности с конечной проводимостью или границы диэлектрика в случае, когда могут быть применены условия Леонтовича,) амплитуды ко- и кроссполяризованной отражённых волн даются выражениями:

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Если z₀, то в отличие от идеально проводящей поверхности при косом падении в главном геометрооптическом члене возникает кополяризованная отражённая волна но, естественно, при нормальном падении она равна нулю. В этом случае кополяризованная волна создаёт эффект паразитной поляризации, например, от влияния покрытия зеркал или атмосферных осадков.

Для случая, когда импедансная поверхность обладает свойством взаимности z₁₂ = z₂₁, кроссполяризованная волна полностью отсутствует при выполнении условия:

det Z = z₁₁ z₂₂ -z₁₂² = z₀² (41)

Выполнение этого условия не зависит ни от угла падения волны, ни от ориентации анизотропной плоскости. Данное свойство было впервые использовано Кэем при создании так называемого "скалярного рупора" в 1964г. и очень широко используется вплоть до настоящего времени.

Чтобы потери энергии при отражении были равны нулю, импеданс отражающей поверхности должен быть реактивным. Условие отсутствия кроссполяризованной отражённой волны для этого случая называется "условием симметрии поля гибридных волн":

x₁ x₂ = -z₀², (42)

здесь x₁ и x₂ - реактивные импедансы анизотропной плоскости в главных направлениях.

Анизотропные импедансные поверхности используются и для других целей, например, для преобразования поляризации круговой в линейную и наоборот. Однако в этом случае поляризационные свойства зависят как от угла падения, так и от ориентации анизотропной плоскости относительно плоскости падения. Для описания поляризационных свойств реактивной анизотропной поверхности необходимо в формулу (39) вместо компонент z_ij подставить выражение тензора импеданса в зависимости от ориентации анизотропной поверхности относительно плоскости падения волны:

В этом выражении f - угол наклона плоскости падения волны к главной плоскости сечения анизотропной поверхности, а z₁ и z₂ - главные импедансы поверхности. С учетом этого ко- и кроссполяризационные компоненты волны, отражённой от реактивной анизотропной поверхности, полностью описываются следующими выражениями:

p_co = z₀ A/ C,

p_cr = B/ C, (44)

где x₁ и x₂ - главные реактивные импедансы поверхности в точке отражения.

Дополнительное ограничение на импеданс анизотропной плоскости накладывается условием недопустимости поддержания поверхностной волны. Как известно [21], поверхностная волна поддерживается, если в плоскости падения волны импеданс индуктивный (возникает E-поляризованная поверхностная волна), либо в ортогональной плоскости емкостной (в этом случае возникает H- поляризованная поверхностная волна). В круглом ребристом рупоре с первой азимутальной гармоникой плоскость падения волны, определяемая в соотвествии с концепцией Бриллюэна, практически совпадает с меридиональной плоскостью, поэтому, чтобы не допустить возможности распространения поверхностной волны, импеданс, удовлетворяющий условию (42), в меридиональной плоскости должен быть емкостным, а в азимутальной плоскости индуктивным.

В антенной практике нашли широкое применение облучатели в виде гофрированных рупоров с канавками, прорезанными в азимутальном направлении, а также в виде открытых концов круглого волновода с гофрированным фланцем. Глубина канавок h немного больше четверти длины волны, а период гофра менее половины длины волны. Импеданс такой поверхности в меридиональной плоскости емкостной, достаточно большой величины, а в азимутальной - индуктивный, близкий к нулю. Поверхностная волна не поддерживается. Кроссполяризационные свойства гофрированных рупоров и других облучателей зеркальных антенн описаны в работах [22], [23].

Влияние кроссполяризации облучателя зеркальной антенны

Кроссполяризационное излучение в диаграмме направленности облучателя зеркальной антенны складывается из составляющих, вызванных неидеальностью элементов фидерного тракта (поляризатора или мостового устройства), и неидеальностью конструкции самого облучателя, приводящей, например, к отличию диаграмм направленности в Е- и Н- плоскостях. Не останавливаясь на первой причине, которая легко анализируется, рассмотрим вторую составляющую для случая соосного облучения осесимметричной зеркальной системы облучателем, не удовлетворяющим критерию (6). Кроссполяризационные характеристики облучателя осесимметричной зеркальной антенны, измеренные в сферической системе координат, соосной с зеркальной системой, трансформируются в соответствующие характеристики всей антенны. Диаграмма направленности облучателя, возбужденного в режиме правой круговой поляризации, может быть представлена в следующем виде:

f_co(q) - диаграмма направленности облучателя по согласованной поляризации, f_cr(q) - по паразитной.

В качестве математической модели облучателя в теории зеркальных антенн полезно использование "скалярного рупора", который можно представить в виде круглой апертуры, с амплитудным распределением поля в виде функции Бесселя нулевого порядка, спадающей на краю апертуры до нуля. Такой вид имеет поперечное распределение волны основного типа в гофрированном волноводе, в котором может распространяться волна без кроссполяризации.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Кроссполяризованная диаграмма направленности возбуждается аналогичным распределением в виде функции Бесселя второго порядка:

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Амплитуда возбуждения кроссполяризованной волны определяется погрешностями в конструкции или настройке облучателя. При ненулевой амплитуде кроссполяризованной волны суммарная диаграмма направленности не осесимметрична, можно найти две ортогональные плоскости, в одной из которых диаграмма направленности будет самой узкой, а в другой самой широкой. Уровень кроссполяризации облучателя, а следовательно и зеркала, определяется различием этих диаграмм направленности, для определённости, например, в области, где средняя диаграмма направленности спадает до уровня минус 3 дБ.

Каждая из поляризационных составляющих трансформируется в осесимметричной зеркальной системе независимо. Рассмотрим случай однозеркальной параболической антенны. Полученный результат без изменения справедлив и для двухзеркальных антенн Кассегрена или Грегори. Рассчитанные кроссполяризационные характеристики зеркальной системы, у которой край параболического рефлектора (гиперболического или эллиптического контррефлектора) облучается по уровню минус 10 дБ, представлены на рис. 12.

Рис. 12. Эффекты кросполяризации осесимметричной параболической антенны, вызванные кроссполяризацией облучателя

По оси абсцисс отложена максимальная несимметрия диаграммы направленности облучателя в двух ортогональных плоскостях по уровню минус 3 дБ. (Для случая линейного облучателя - это различие диаграмм направленности в Е- и Н- плоскостях.) По оси ординат отложено максимальное значение уровня кроссполяризации зеркальной системы в областях диаграммы направленности, ограниченных линиями уровня средней диаграммы направленности -1, -2 и -3 дБ. Кривые разного вида на рис. 12 - сплошные, пунктирные и т.д., соответствуют различным углам облучения главного рефлектора (от 120^o до 180^o). Из представленных материалов следует, что результирующий уровень кроссполяризации в большей мере определяется зоной диаграммы направленности, чем фокальным отношением рефлектора. Для осесимметричной диаграммы направленности облучателя, удовлетворяющей критерию (6), кроссполяризация зеркальной системы полностью отсутствует, независимо от фокального отношения рефлектора. При построении кривых рис. 12 использованы предположения, которые могут не осуществиться на практике, - это предположение о синфазности ко- и кроссполяризованных диаграмм направленности f_co(q) и f_cr(q) и о синфазности распределения поля в апертуре рупора. Представление о характере зависимости уровня кроссполяризации от фазовых соотношений ко- и кроссполяризованных диаграмм можно получить из рис. %3

Заключение

Кроссполяризация зеркальной антенны линейной поляризации возникает из-за отклонения вектора поляризации в диаграмме направленности антенны от вектора поляризации референсного линейно поляризованного источника Гюйгенса. В данной статье кроссполяризация представлена как результат влияния отдельных независимых источников: собственной кроссполяризации облучателя, отклонения осей облучателя и параболического зеркала, несимметрии зеркальной системы. Результаты данной статьи могут быть использованы и для оценки совместного влияния рассматриваемых источников кроссполяризации, определяеющегося алгебраической суммой углов отклонения векторов поляризации в каждом направлении диаграммы направленности. При этом может произойти смещение максимума кроссполяризации в диаграмме направленности и изменение максимального уровня. В том случае, когда в несимметричной зеркальной системе выполняется геометрооптическое условие отсутствия кроссполяризации, результирующая кроссполяризация определяется совместным влиянием собственной кроссполяризации облучателя и дифракционными эффектами на кромке вспомогательного зеркала, которые рассмотрены в ряде работ, цитированных в [24].

В зеркальных антеннах круговой поляризации рассматриваемые источники не всегда вызывают кроссполяризацию, но их влияние приводит к нежелательным искажениям формы диаграммы направленности. В то же время, выполнение геометрооптических условий отсутствия кроссполяризации в несимметричной зеркальной антенне приводит одновременно к устранению (в геометрооптическом приближении) несимметричных искажений диаграммы направленности, когда эта антенна облучается облучателем круговой поляризации.

Список литературы

1. Рекомендации и отчеты МККР, 1986 г., Отчёт 390-5. Антенны земных станций фиксированной спутниковой службы.

2. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов Антенны: Учебник для вузов. - 2-е изд. - М.: Энергия, 1975 г.

3. П. Вуд Анализ и проектирование зеркальных антенн, перевод с англ. Г.Б. Звороно, под ред. О.П. Фролова, М., Радио и связь, 1984

4. Advanced Technology in Satellite Communication Antennas. Electrical and Mechanical Design. Takashi Kitsuregawa, Editor. 1990.

5. Reflector Antennas, /Ed: A.W.Love/, New-York, IEEE Press, 1978

6. Antenna Handbook: theory, applications, and design. / Ed: Y.T.Lo, S.W. Lee / New-York, 1988

7. В.П. Нарбут, В.Ф. Хмель Поляризация излучения зеркальных антенн. Головное издательство издательского объединения "Вища школа", Киев, 1978

8. Alan W. Rudge, Nurdin A. Adatia Offset-Parabolic-Reflector Antennas: A Review, Proc.IEEE, v.66, n.12, pp.1592-1612, Dec., 1978 (перевод: ТИИЭР, т.66, №12, декабрь, 1978)

9. Arthur C. Ludwig The Definition of Cross Polarization. IEEE Trans. Antennas Propagat.,vol. AP-21, pp. 116-119, Jan.,1973.

10. Методы измерения характеристик антенн СВЧ. Под редакцией Н.М. Цейтлина. - М: Радио и связь, 1985г.

11. Волынский Б.А. Сферическая тригонометрия. Наука, ГРФ-МЛ, М, 1977

12. Rumsey V.H. Частотно независимые антенны. - В кн.: Сверхширокополосные антенны. М., " Мир", 1964, с. 11.

13. Г.Т. Марков Антенны. М., Госэнергоиздат, 1960 г.

14. Сакс Р.С. О краевых задачах для системы rot u + lu = h Доклады АН СССР, т.199, 5, 1971г., с.1022 - 1025

15. H. Tanaka, M. Mizusawa Elimination of cross-polarisation in offset dual reflector antennas, Elec. Commun. (Japan) v.58, pp.71-78, 1975

16. Mizusawa M., Kitsuregawa T. A Beam Waveguide Feed Having a Symmetric Beam for Cassegrain Antenna, Inter. IEEE AP-S Symp. Dig., 1972, pp.319-321,IEEE Trans., 1973, v.AP-21, №6.

17. А.Я. Мирошниченко Лучеводы для двухзеркальных антенн. Зарубежная радиоэлектроника, №7, 1981, с. 28 - 62.

18. Б.Е. Кинбер Обратные задачи теории зеркальных антенн - приближение геометорической оптики, ИРЕ, препринт №38 (410), Москва - 1984

19. B.S. Westcott, F. Brickell Dual offset reflectors shaped for zero cross-polarisation and prescribed illumination, J. Phys.. D: Appl.Phys.12, 169-186, 1979

20. Л.М. Бреховских Волны в слоистых средах, НАУКА, М.,1973

21. Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин Возбуждение электромагнитных волн Энергия, 1967 г.

22. A.F. Kay The scalar feed US. Air Force Cambridge Research Laboratory Rep. 62-347, March, 1964

23. Microwave horns and feeds. A.D. Olver, P.J.B. Claricoats, A.A. Kishk, L. Shafai, New-York, IEEE press, 1994

24. The handbook of antenna design., vol.1 and 2, ed.: A.W. Rudge, K. Milne, A.D. Olver, P. Knight, 1988, P. Peregrinus Lmt. on behalf of the IEE.

Размещено на Allbest.ru