Исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора МАК-5

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование электромагнитных полей в рабочей зоне коллиматора МАК-5

Н. П. Балабуха, А. А. Башарин
Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН

В работе исследуются поля в рабочей зоне компактного полигона МАК-5, в диапазоне частот от 8 ГГц до 10 ГГц. Зеркало коллиматора представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения с фокусным расстоянием 3.5 м, поперечные размеры которого 4.5 м на 5 м. Дан обзор применяемых облучателей и приведены распределения полей в рабочей зоне коллиматора. Показано, что распределение поля состоит из двух составляющих. Первая составляющая связана с полем облучателя. Эта составляющая тем равномернее, чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая вносит осцилирующий характер в распределение поля. Приведены рекомендации по выбору облучателей коллиматора.

Ключевые слова: антенны, экспериментальная электродинамика, коллиматор.

облучатель поле коллиматор

Введение

Зеркальный коллиматор МАК - 5 (Рис. 1) используется в компактных полигонах для формирования рабочей зоны с квазиплоской волной [1]. Зеркало коллиматора представляет собой несимметричную вырезку параболоида вращения, состоящего из 67 щитов, с фокусным расстоянием 3.5 м, поперечные размеры которого, 4.5 м на 5 м. Для формирования рабочей зоны диаметром 2 м с неравномерностью амплитуды поля волны ±0.5 дБ, необходимо обеспечить диаграмму направленности облучателя с амплитудной вершиной неравномерностью ±0.5 дБ в секторе углов ±20⁰ и со спадом поля ниже -10 дБ в направлениях на кромки зеркала коллиматора в секторе углов ±40⁰.

Рис. 1 Коллиматор МАК-5

Основным требованием, предъявляемым к коллиматорам, является равномерность амплитудного и фазового распределения электромагнитного поля, создаваемого в рабочей зоне. Отличие электромагнитного поля в рабочей зоне коллиматора от поля плоской волны вызвано в основном дифракционными эффектами, обусловленными ограниченными размерами коллиматора и неравномерностью облучения зеркала коллиматора, вызванной направленностью облучателя. Кроме того, на поле в рабочей зоне влияют дефекты, связанные с погрешностями при изготовлении облучателя в направлении конструкции коллиматора, прямое излучение облучателя в направлении рабочей зоны, неточное расположение фазового центра облучателя по отношению к фокусу коллиматора, отражение электромагнитной волны от оборудования безэховой камеры.

Распределение амплитуды поля в рабочей зоне обычно состоит из двух составляющих. Первая составляющая представляет собой плавно меняющуюся часть электромагнитного поля в рабочей зоне. Эта составляющая обусловлена особенностями облучения коллиматора, которые определяются диаграммой направленности облучателя, отклонением отражающей поверхности зеркала коллиматора от поверхности параболоида вращения и неточным расположением фазового центра облучателя по отношению к фокусу коллиматора. Вторая составляющая представляет собой быстро меняющуюся часть электромагнитного поля в рабочей зоне. Эта составляющая обусловлена в основном дифракцией на кромках зеркала коллиматора, прямым просачиванием поля облучателя в рабочую зону, отражением от стен и оборудования, размещенного в безэховой камере. Уменьшить влияние дифракционных эффектов на поле в рабочей зоне, возможно двумя способами: выполнить края зеркала коллиматора в виде зубцов или плавно отогнуть [2,3], либо путем применения облучателей со специальной формой диаграммы направленности и низким уровнем поля на кромках зеркала коллиматора.

В данной работе исследуются поля в рабочей зоне коллиматора, в зависимости от используемых облучателей.

Требования, предъявляемые к облучателям коллиматора

Облучатели должны удовлетворять следующим требованиям [1]:

Облучатель должен создавать на поверхности зеркала коллиматора постоянное в области рабочей зоны и плавно спадающее к минимально возможным значениям на краях зеркала распределение поля в максимально возможной полосе частот.

Облучатель должен быть согласован с питающей линией.

В качестве облучателей коллиматора МАК-5, в той или иной степени удовлетворяющим приведенным выше требованиям, применяются конический рупорный облучатель, облучатель с обратным фланцем [1], диэлектрический стержневой облучатель [4] и облучатель на основе круглого двухслойного волновода из искусственного магнитодиэлектрика [5].

Наиболее простым конструктивно и широко используемым является конический облучатель (Рис. 2), состоящий из круглого волновода с волной Н₁₁, который плавно расширяется в направление оси облучателя. Диаметр раскрыва рупора примерно равен длине волны.

Диаграмма направленности конического рупорного облучателя имеет косинусоидальную форму и различается в E и H плоскостях до 20⁰ в зависимости от частоты. При этом неравномерность поля в апертуре зеркала коллиматора составляет ~2 дБ в полосе частот 40%. Уровень поля на кромках (±40⁰) меняется от -5 дБ до -12 дБ. На рис. 3а-3в представлены расчетные (сплошная кривая) и экспериментальные (пунктир) нормированные на максимальное значение диаграммы направленности в плоскости E.

Конические облучатели считаются достаточно широкополосными, однако они не обеспечивают желаемого снижения амплитуды поля к краям зеркала и имеют сильное излучение назад.

Частично указанные недостатки устранены в конических облучателях с обратным гофрированным фланцем. Облучатели этого типа имеют диаграмму направленности, обеспечивающую более равномерную засветку поверхности рефлектора в центральной части при большем, чем у конического облучателя, снижении амплитуды поля к краям зеркала.

Облучатель с обратным фланцем (Рис. 4) представляет собой ребристый обратный фланец, запитываемый круглым волноводом с волной Н₁₁.

Диаграмма направленности такого облучателя имеет форму близкую к косинусоидальной и симметрична в плоскостях E и H. Такой облучатель обладает неравномерностью поля в апертуре зеркала коллиматора ~2 дБ в полосе частот 40%. Однако, при этом достаточно сильно засвечиваются кромки зеркала коллиматора. Уровень поля на кромках зеркала коллиматора (±40⁰) меняется с частотой от -3 дБ до -5 дБ. Диаграммы направленности представлены на рис. 5а-5в.

Диэлектрический стержневой облучатель

Диэлектрический стержневой облучатель (Рис.6) состоит из диэлектрического стержня (3), диэлектрической биконической втулки (2), ребристого фланца (4), круглого волновода (1), который запитывается волной Н₁₁. ДН такого облучателя может быть представлена как сумма ДН стержня, которая осесимметрична и имеет максимум в направлении оси стержня и ДН втулки, которая имеет воронкообразную форму с минимумом в направлении указанной оси. Относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня ?₁=2.55 (полистирол) и относительная диэлектрическая проницаемость биконической втулки ?₂ =4.5 (текстолит). При отработанных размерах стержня и биконической втулки, а так же тщательной фазировке всех элементов облучателя можно получить оптимальную по форме ДН со столообразной вершиной на уровне 1 дБ в Е и Н плоскостях в полосе частот ±7%. Для увеличения широкополосности применяется фторопластовая вставка 5 [4]. Относительная диэлектрическая проницаемость вставки ?_вс =2.

Результаты расчетов ДН - сплошная кривая стержневого диэлектрического облучателя показаны на Рис. 7а-7в. Пунктирной кривой представлены экспериментальные ДН диэлектрического стержневого облучателя. Как показывает сравнение расчетных и экспериментальных ДН облучателя наблюдается хорошее совпадение в области главного лепестка ДН. Уровень первых боковых лепестков расчетных и экспериментальных ДН стержневого диэлектрического облучателя может отличаться на отдельных частотах до 3 дБ, отличие в ширине ДН облучателя на уровне -15 дБ доходит до 3 градусов.

Круглый двухслойный магнитодиэлектрический волновод

В данной главе продемонстрирована возможность создания широкополосного облучателя на примере круглого двухслойного волновода, стенки которого состоят из исскуственного магнитодиэлектрика [5].

Геометрия облучателя представлена на рис. 8. Трубка круглого сечения 2 из искусственного магнитодиэлектрика, возбуждается коническим рупором 1. Фотография рупора и листового образца искусственного магнитодиэлектрика показана на рис. 8, справа.

Искусственный магнитодиэлектрик представляет собой композитный листовой материал на основе упорядоченной однородной смеси право- и левозакрученных проволочных спиралей, приклеенных на тонкую полиуретановую подложку толщиной 0,2 мм. Оси всех спиралей были ориентированы параллельно подложке. Концентрация право- и левозакрученных спиралей одинакова. Оси спиралей ориентировались в двух взаимно ортогональных направлениях. Толщина образца составляла 2,2 мм.

Проволочные спирали были изготовлены из высокоомного изолированного манганинового провода диаметром 0,05 мм. Отдельные спирали длиной 2 мм имели 2 витка провода, намотанных с шагом 0,9 мм на отрезок цилиндрической диэлектрической трубки с внешним диаметром 1,8 мм и внутренним диаметром 0,5 мм. В качестве трубки использовалась упрочненная трубка из радиационно-сшитого полиэтилена. Проволочная спираль фиксировалась на трубке с помощью отверждаемой пленки полиуретана. Эффективные материальные параметры композита в диапазоне частот 6-16 ГГц приведены на рис.9 а,б.

Благодаря частотной дисперсии материальных параметров магнитодиэлектрика, можно обеспечить малое изменение фазовой скорости распространения электромагнитных волн в таком волноводе с частотой и тем самым обеспечить слабое изменение главного лепестка диаграммы направленности в некотором диапазоне углов и формирование диаграмм направленности специальной формы.

На Рис. 10а-10в представлены результаты расчетов диаграмм направленности антенны на основе двухслойного магнитодиэлектрического волновода (сплошная кривая) в диапазоне частот 8- 12 ГГц в азимутально-угловой плоскости. В расчете, материальные параметры магнитодиэлектрика использовались из графиков 9a,б. Размеры антенны обозначены на Рис. 8. Экспериментально снятые в безэховой камере диаграммы направленности, на Рис. 10а-10в, изображены пунктирными кривыми. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показывает хорошее совпадение в области главного лепестка. Расхождение в области боковых лепестков не превышает 5 дБ.

В области частот 8-12 ГГц, главный лепесток диаграммы направленности имеет столообразную форму в секторе углов ±28⁰. Уровень боковых лепестков ниже -20 дБ и уменьшается с частотой.

Таким образом, использование магнитодиэлектрика в качестве элемента волноводной антенны позволяет получить диаграммы направленности столообразной формы и низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне частот.

Поля в рабочей зоне коллиматора

На рис. 11а-11в представлены результаты численного моделирования методом физической оптики [6] полей в рабочей зоне формируемых коллиматором, при облучении зеркала каждым из описанных выше облучателей в диапазоне частот в горизонтальном и вертикальном срезах рабочей зоны. Причем черный цвет соответствует распределению поля в случае облучения коническим рупорным облучателем, красный -облучателем с обратным фланцем, зеленый- стержневым диэлектрическим облучателем и синий- облучателем на основе круглого магнитодиэлектрического волновода.

Как видно из графиков (Рис. 11а-11в) неравномерность поля менее 1 дБ сохраняется в узкой области рабочей зоны, которая сужается с ростом частоты. К тому же распределение полей носят осцилирующий характер, связанный в основном с дифракцией на кромках зеркала коллиматора. И чем меньше возбуждаются кромки зеркала коллиматора полем облучателя, тем меньше осцилляции наблюдаются в рабочей зоне коллиматора. Самые быстрые осцилляции возникают при возбуждении зеркала облучателем с обратным фланцем. Уровень поля на кромках зеркала коллиматора в этом случае достигает -4 дБ. При возбуждении коническим облучателем уровень поля на кромках зеркала ниже -6 дБ. Облучатель на основе магнитодиэлектрического волновода вносит в поле рабочей зоны наименьшие осцилляции, благодаря низкому уровню поля на кромках зеркала (ниже -20 дБ).

При облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности близкой к столообразной форме наблюдается плавно меняющаяся составляющая поля в рабочей зоне. Такими диаграммами обладают диэлектрический стержневой облучатель и облучатель на основе магнитодиэлектрического волновода.

Нар Рис. 12 представлены зависимости ширины рабочей зоны D от частоты для облучателей представленных выше, в плоскостях X, Y. Анализ графиков показывает, что наибольшая рабочая зона наблюдается при использовании облучателя на основе круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. В то время как стандартный конический облучатель имеет наименьшую рабочую зону в диапазоне частот от 8 до 10 ГГц.

Облучатель с обратным фланцем имеет немного большие размеры рабочей зоны и его применение более предпочтительно, благодаря низкому уровню заднего излучения. Стержневой диэлектрический облучатель по своим характеристикам находится посередине между облучателем с обратным фланцем и облучателем на основе круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода.

Т.о. наибольшая равномерность поля в рабочей зоне достигается при облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности столообразной формы с неравномерностью вершины главного лепестка не более 1 дБ в секторе углов ±20⁰ и амплитудой на кромках зеркала ниже -10 дБ, в широком диапазоне частот. Изготовление стержневого диэлектрического облучателя и облучателя на основе круглого магнитодиэлектрического волновода имеет высокую стоимость, и применение их рекомендуется в исключительных случаях, например при измерении ЭПР.

Таким образом, в работе исследованы поля в рабочей зоне коллиматора в зависимости от применяемых облучателей. Показано, что распределение поля в рабочей зоне коллиматора зависит от двух составляющих. Первая составляющая связана с полем облучателя.

Эта составляющая тем равномернее, чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая вносит осцилирующий характер в распределение поля. Чем меньше уровень поля на кромках зеркала коллиматора, тем более гладкое распределение поля формируется в рабочей зоне.

Показаны сравнительные характеристики облучателей и полей. Приведены рекомендации по выбору облучателей коллиматора.

Список литературы

1. Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин В.С., Компактные полигоны для измерения характеристик рассеяния объектов. М.: Наука, 2007

2. Lee T.H., Burnside W.D.//IEEE Trans. 1996. V. AP-44. № 1. P. 87

3. Коллиматор МАК-5М. Конструкция и технические характеристики. Балабуха Н.П., Зубов А.С., Солосин В.С., Федоров С.А.//Радиотехника и электроника, 2009, том 54, №5

4. Стержневой диэлектрический облучатель с расширенной полосой рабочих частот. Балабуха Н.П., Башарин А.А.- Антенны, 2008, №12, стр. 65

5. Излучение из открытого конца полубесконечного круглого двухслойного магнитодиэлектрического волновода. Балабуха Н.П., Башарин А.А., Семененко В.Н.- Антенны, 2009, №6, принято в печать

6. Кюн Р. Микроволновые антенны. М.: Судостроение, 1967

Размещено на Allbest.ru