Исследование фрагмента сверхширокополосной кольцевой антенной решетки для сканирования в полусфере
Рассмотрение задачи создания кольцевой антенной решетки для сканирования в полусфере в сверхширокой полосе частот. Характеристика согласования и излучения элемента и фрагмента антенной решетки методом конечных элементов и методом интегральных уравнений.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 05.11.2018 |
Размер файла | 3,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН
ОКБ МЭИ
Исследование фрагмента сверхширокополосной кольцевой антенной решетки для сканирования в полусфере
В. Л. Бирюков, М. Д. Дупленкова, В. И. Калиничев, В. А. Калошин
24 января 2014
Аннотация
Рассмотрена задача создания кольцевой антенной решетки для сканирования в полусфере в сверхширокой полосе частот (более 1:100). В качестве элемента решетки предложен новый сверхширокополосный излучатель со 180o шириной диаграммы направленности в Н плоскости. Приведены результаты анализа характеристик согласования и излучения элемента и фрагмента антенной решетки методом конечных элементов и методом интегральных уравнений. Проведено сопоставление результатов численного моделирования и физического эксперимента.
Ключевые слова: сверхширокополосная антенна, кольцевая антенная решетка, частотные характеристики, диаграмма излучения, сканирование в полупространстве.
Abstract
The problem of creating a circular antenna array for scanning in the hemisphere in ultrawideband (greater than 1:100 ) was considered. As an element of the array a new UWB radiator with 180o beamwidth in the H plane was proposed. The results of analysis of radiating and matching characteristics of the element and a fragment of the antenna array using finite element method and the method of integral equations were given. Comparison of results of numerical simulation and physical experiment was done.
Key words: ultra wideband antenna, circular antenna array, frequency characteristic, radiation pattern, half-space scanning.
Введение
Сверхширокополосные (СШП) кольцевые антенные решетки (КАР) находят широкое применение в системах радиомониторинга, радиолокационной и медицинской техники [1-3]. В качестве элементов таких решеток используются различные типы СШП излучателей: биконические и диско-конические антенны, ТЕМ рупоры, логопериодические антенны [1,2], неоднородные щелевые антенны (антенны Вивальди) [3] и т.д. При проектировании СШП КАР возникает задача обеспечения максимальной полосы рабочих частот и сектора обзора. Для наземных систем максимальным сектором обзора является полусфера.
Максимальная рабочая полоса частот в КАР (более 1:100) была реализована в работе [4], где, в частности, был предложен новый СШП излучатель - несимметричный петлевой ТЕМ рупор. К сожалению, СШП КАР, исследованные в известных работах, не позволяют обеспечить сканирования луча в полусфере. Поэтому для реализации сканирования в полусфере в широкой полосе частот обычно используют полусферические антенные решетки [5].
Для решения задачи сканирования в полусфере в данной работе предложена СШП КАР, элементами которой являются новые, предложенные в работе [6] СШП излучатели. Этот излучатель представляет собой 180-градусную вырезку из поликонического излучателя, который ранее был предложен и исследован в работе [7].
В первом разделе работы исследованы диаграммы направленности одиночного элемента СШП КАР. Во втором разделе исследованы диаграммы направленности элемента в составе трехэлементного фрагмента СШП КАР. В третьем разделе приведены результаты моделирования и физического эксперимента по измерению коэффициента отражения.
1. Характеристики излучения элемента
В этом разделе представлены результаты исследования характеристик излучения нового элемента для кольцевых антенных решеток, предназначенных для сканирования в полусфере в сверхширокой полосе частот. Рассмотрены два варианта излучателей: у первого - все грани металлические, у второго отсутствует металлизация основания и торцов антенны. Геометрия и размеры излучателя показаны на рис. 1. Геометрия решетки - на рис.2.
Моделирование характеристик излучения проводилось двумя методами: методом конечных элементов и методом интегральных уравнений.
В результате моделирования оказалось, что диаграммы направленности двух вариантов излучателя, а также результаты расчета двумя методами очень близки. Поэтому в данном разделе представлены результаты расчета только полностью металлизированного излучателя методом конечных элементов. антенный частота полусфера
Рис.1. Сверхширокополосный излучатель
Рис.2. Кольцевая антенная решетка из восьми излучателей
На рис. 3 представлены сечения диаграммы направленности в трех плоскостях ц= 0? (ZOX), ц=90? (ZOY) и и=90? (XOY) на разных частотах, на рис.4 - примеры распределения амплитуды ближнего электрического поля в разных плоскостях.
Phi=0? Phi=90?
И=90?
а) f=0.25 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
б) f=0.7 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
в) f=1.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
г) f=2.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
д) f=3.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
е) f=4.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
ж) f=5.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
з) f=7.0 ГГц
Рис.3. Сечения диаграммы направленности излучателя в главных плоскостях на разных частотах
а) f=0.25 ГГц
б) f=1.5 ГГц
в) f=4.5 ГГц
Рис.4. Распределения амплитуды электрического поля в трех ортогональных плоскостях на разных частотах
Как видно на рис.3,4, излучение в Н плоскости (ц = 0) как в дальней, так и в ближней зоне с увеличением частоты приобретает ярко выраженную П-образную форму в диапазоне углов 0<и<р/2. В ортогональных плоскостях ширина диаграммы направленности с ростом частоты уменьшается, но коэффициент усиления по уровню 0 дБ остается в пределах 45о.
2. Характеристики излучения элемента фрагмента кольцевой антенной решетки из трех смежных поликонических излучателей
Для оценки влияния взаимной связи излучателей на согласование и диаграмму направленности элемента КАР рассматривался ее фрагмент, состоящий из трех соседних элементов (рис.5). Моделирование фрагмента проводилось в более узкой полосе частот в сравнении с одиночным излучателем, так как данная структура требует увеличенных машинных ресурсов при моделировании по сравнению с одиночным элементом. На рис. 5 представлены результаты расчета диаграммы направленности элемента фрагмента КАР (возбуждался только центральный элемент, остальные элементы нагружены на абсолютно поглощающие нагрузки).
Рис.5. Фрагмент кольцевой решетки из трех рядом расположенных излучателей
Phi=0? Phi=90?
И=90?
а) f=0.25 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
б) f=0.7 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
в) f=1.5 ГГц
Phi=0? Phi=90?
И=90?
г) f=2.5 ГГц
Рис.6. Сечения диаграммы направленности центрального излучателя в окружении двух соседних на разных частотах, пунктир - соответствующая диаграмма направленности одиночного излучателя
На рис.6 показано распределение амплитуды электрического поля в плоскости фрагмента решетки при возбуждении центрального излучателя на разных частотах.
f=0.25 ГГц f=1.5 ГГц
Рис.7. Распределение амплитуды электрического поля в плоскости решетки
На рис.7 виден результат взаимодействия соседних облучателей в ближней зоне. Как и следовало ожидать, наиболее сильно эффект взаимодействия проявляется между ближайшими кромками соседних элементов на нижних частотах. Аналогичная ситуация имеет место и в дальней зоне, как следует из результатов исследовании влияния взаимодействия элементов фрагмента КАР на форму диаграммы направленности элемента (рис.5). Следует отметить, что даже на самой нижней частоте форма диаграммы направленности элемента остается вполне удовлетворительной в угловом секторе 45о - по азимуту, 180о - по углу места.
3. Исследование характеристик согласования
Ниже, на рис. 7,8 приведены частотные зависимости коэффициента отражения двух вариантов одиночного излучателя, а на рис.9 - центрального элемента фрагмента КАР.
Штриховой линией на рис.9 показана частотная зависимость коэффициента отражения одиночного элемента. Моделирование коэффициента отражения проводилось методом конечных элементов.
Рис.8. Частотная зависимость коэффициента отражения полностью металлизированного излучателя
Рис.9. Частотная зависимость коэффициента отражения излучателя частично металлизированного излучателя
Рис.10. Частотная зависимость коэффициента отражения центрального элемента фрагмента КАР
Как видно из рисунков, наиболее сильно на характеристики согласования взаимодействие элементов влияет, как и на диаграммы направленности, на низких частотах. При этом влияние на коэффициент отражения оказывается несколько слабее и практически не сказывается на нижней частоте согласования по уровню -10 дБ, которая во всех случаях примерно равна 150 МГц.
На рис. 10 приведена фотография макета частично металлизированного излучателя. Измеренная частотная зависимость коэффициента отражения макета приведена на рис.11.
Измерения проводились с использованием анализатора цепей НР 1820- РС.
Как видно на рис.11, частотная зависимость коэффициента отражения экспериментального макета близка к расчетным характеристикам, показанным на рис. 9,10.
Рис.11. Макет элемента КАР.
Рис.12.Экспериментальная зависимость коэффициента отражения элемента.
Заключение
Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты подтверждают возможность создания кольцевой антенной решетки для сканирования в полусфере в полосе частот порядка 1:100.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №12-07-00717-а).
Литература
1. Ашихмин А.В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. М., «Радио и Связь», 2005, 486с.
2. Рембовский Ю.А. Перспективные пути совершенствования антенных систем и математического обеспечения комплексов радиоконтроля. Антенны, 2012, вып.10, С.37-56.
3. Bialkowski M.E.,Yifan Wang, Bakar A.A., Wee Chang Khor, UWB microwave imaging system including circular array antenna . 18th International Conference on Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 14-16 June 2010.
4. Л. Бирюков, Н.А. Ефимова, В.И. Калиничев, В.А. Калошин, Л.И. Пангонис. Исследование сверхширокополосной кольцевой антенной решетки. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал] . 2013. №1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan13/20/text.pdf
5. Bialkowski M.E., Abbosh A.M., Wang Y., Ireland D., Bakar A.A., Mohammed B.J. Microwave imaging systems employing cylindrical, hemispherical and planar arrays of ultrawideband antennas // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (APMC-2011), 5-8 Dec. 2011, Melbourne, pp. 191 - 194
6. Дупленкова М.Д., Калошин В.А. Излучатель сверхширокополосной кольцевой антенной решетки для сканирования в полупространстве. Докл. 1 Всеросс. Микроволновой конф., 27-29 ноября 2013, М. JRE-ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, С.384-387.
7. Калошин В.А., Мартынов Е.С., Скородумова Е.А. Исследование характеристик поликонической антенны в широкой полосе частот / РЭ, 2011, Т. 56, №9, С. 1094-1098.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Излучатель антенной решетки. Выбор конструкции вибратора и схемы питания. Антенная решетка системы излучателей. Расчет диаграммы направленности и геометрия антенной решетки. Расчет параметров решетки при заданном максимальном секторе сканирования.
контрольная работа [250,6 K], добавлен 03.12.2010Определение геометрических параметров антенной решетки. Расчет диаграммы направленности диэлектрической стержневой антенны, антенной решетки. Выбор и расчет схемы питания антенной решетки. Выбор фазовращателя, сектор сканирования, особенности конструкции.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 06.07.2010Фазированная антенная решётка, способы расположения элементов. Сектор сканирования ФАР. Расчет длины волны. Моделирование антенной решетки. Трехмерное изображение антенной решетки с рефлектором. Угол наклона главного лепестка диаграммы направленности.
контрольная работа [1,3 M], добавлен 06.01.2014Анализ развития микроэлектроники и её достижения. Расчет волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа в плоскости. Выбор схемотехнического решения и конструктивной реализации. Моделирование в пакете прикладных программ Microwave office.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 05.12.2013Назначение микрополосковых антенн. Выбор материала антенной решетки и определение конструктивных размеров микрополоскового излучателя. Расчёт зависимости входного сопротивления от частоты. Расчёт конструктивных размеров элементов антенной решетки.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 28.03.2012Формы, размеры и конструкции современной фазированной антенной решетки, ее структурная схема и особенности построения. Расчет основных электрических параметров волноводной фазированной антенной решетки, определение ее основных габаритных параметров.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 18.05.2013Современные радиотехнические средства. Расчет параметров одного излучателя и антенной решетки. Конструктивная схема вибраторного излучателя. Коаксиально – полосковые переходы и дискретный фазовращатель. Полосковый делитель и кольцевой делитель мощности.
курсовая работа [139,1 K], добавлен 03.12.2010Особенности конструкции, преимущества и недостатки фазированных антенных решеток как наиболее эффективных и перспективных антенных систем. Расчет формы и линейных размеров излучающего полотна. Разработка данной антенной решетки, алгоритм расчета задания.
контрольная работа [2,6 M], добавлен 06.05.2011Разработка пакета программ, позволяющего рассчитать полевые и импедансные характеристики плоской двумерной фазированной антенной решетки. Определение зависимости взаимного сопротивления от расстояния между излучателями при различных диэлектриках.
дипломная работа [897,1 K], добавлен 07.07.2009Излучение и прием электромагнитных волн. Расчет антенной решетки стержневых диэлектрических антенн и одиночного излучателя. Сантиметровый и дециметровый диапазоны приема волн. Выбор диаметра диэлектрического стержня. Определение числа элементов решетки.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 17.10.2011Анализ распространения радиоволн. Расчет волноводно-щелевой антенной решетки резонансного типа, направленность в плоскости Н. Исследование фазовой характеристики антенны. Параметры передачи и приема. Воздействие электромагнитных излучений на организм.
курсовая работа [460,7 K], добавлен 05.06.2012Цифровая сотовая система подвижной радиосвязи стандарта GSM. Изготовление интерфейсного кабеля для подключения мобильного телефона к компьютеру. Разработка и проектирование антенной решетки, которую предполагается использовать в паре с телефоном.
дипломная работа [6,5 M], добавлен 14.10.2010Расчет вибраторных фазированных антенных решеток с расширенным углом сканирования. Общая характеристика излучателя антенной решетки. Основной способ питания излучателя. Расчеты диаграммы направленности излучателя. Расчеты амплитудного распределения.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 28.11.2010Общая характеристика антенной решетки, состоящей из ряда волноводно-щелевых или волноводно-вибраторных антенн. Расчет антенной системы и сигнала на входе приемника. Измерение параметров антенны. Электромагнитная совместимость волноводно-щелевых решеток.
курсовая работа [510,5 K], добавлен 16.10.2014Методика расчета уголковой антенны, петлевого вибратора, коллинеарной антенной решетки. Выбор размеров уголковой антенны, расчет параметров элемента решетки с учетом уголкового рефлектора, ширины диаграммы направленности. Схема распределения мощности.
курсовая работа [968,3 K], добавлен 21.03.2011Линейная решетка с цилиндрической спиральной антенной в качестве излучателя. Применение антенных решеток для обеспечения качественной работы антенны. Проектирование сканирующей в вертикальной плоскости антенной решетки. Расчет одиночного излучателя.
курсовая работа [394,2 K], добавлен 28.11.2010Элементы стержневых диэлектрических антенн и их преимущество. Теория диэлектрических волноводов, антенн бегущей волны. Выбор волновода, диэлектрика и геометрии стержня. Расчет одиночного излучателя и антенной решетки. Схема питания строки излучателей.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 03.12.2010Общие сведения о многовибраторных антенных решетках. Определение размеров конструктивных элементов антенны и коэффициента направленного действия. Выбор симметрирующего согласующего устройства и фидера. Расчет радиотрасс, электромагнитная совместимость.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 14.08.2011Причины применения коллинеарной антенной решетки с последовательным возбуждением и ее расчет с использованием модели Маркони-Франклина. Определение характеристик излучающего элемента антенны. Оценка полученных результатов с помощью программы "SAR32".
курсовая работа [2,1 M], добавлен 21.03.2011Щелевые волноводные антенны, выполненные на основе прямоугольного, круглого, змейкового, спирального и других типов волноводов. Выбор размеров волновода. Расчет антенной решетки: длина антенны и проводимость одной щели, диаграмма направленности.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 11.01.2008