Особенности анализа модового состава по дискретным отсчетам многоволнового волновода с кососрезанной апертурой

Одним из экспериментальных путей решения задачи модового анализа и определения матриц рассеяния является реализация зондового метода измерения составляющих поля в бриллюэновских угловых направлениях диаграммы направленности (ДН) исследуемого функционального блока. Однако, в случае многомодовой суперпозиции использование дифракционной модели, основанной на линейном представлении оператора излучения, может приводить к малодостоверным результатам модового анализа. Поэтому необходимо установить взаимосвязь уровней ДН в угловых бриллюэновских направлениях с модовым спектром излучающего раскрыва исходя из общих закономерностей, характеризующих процесс излучения поверхностных (апертурных) антенн, т.е. решить внешнюю электродинамическую задачу одним из известных методов.

Принципиальная возможность определения поля произвольной системы токов в дальней зоне по известному распределению тангенциальных составляющих электромагнитного поля Еф, Нф на замкнутой поверхности S, охватывающую эту систему токов, следует из граничных задач электродинамики и теоремы эквивалентности.

Компоненты поля в дальней зоне выражаются интегралами типа Гюйгенса-Кирхгофа по поверхности S от функции распределения обеих тангенциальных составляющих Еф, Нф.

Этот способ позволяет свести процесс определения поля в дальней зоне по известному распределению в ближней зоне к интегральным преобразованиям Фурье, Френеля, которые легко и быстро выполняются на ЭВМ.

Строгое решение уравнения Максвелла дает следующее интегральное представление поля в дальней зоне через значения тангенциальных составляющих поля на замкнутой поверхности S, охватывающей излучающую систему.

(1)

где - вектор, проведенный из начала декартовой системы координат на поверхности S до точки наблюдения P(x,y,z); - волновое сопротивление, k - волновое число, - единичный вектор нормали к поверхности S в точке с координатами .

Излучательную характеристику (1) можем переписать в виде:

.

Переходя к сферическим координатам с ортами , получим выражение излучательной характеристики с учётом особенностей взаимосвязи полей волнового процесса в раскрыве антенны:

(2)

,

где - амплитудно-фазовое распределение (АФР) тангенциальных составляющих электрического поля в раскрыве, - проекция единичного вектора нормали к волновому фронту.

Используя выражения излучательной характеристики (2) и апертурного АФР суперпозиции Hm0 мод прямоугольной волноводной структуры в главном сечении ДН

можно получить

,

где , , .

Тестовый образец многомодового излучателя представлял собой открытый конец прямоугольного волновода сечением (21.2х3.4) мм2 (рисунок 1), в котором при симметричном возбуждении неоднородностью типа скачкообразного увеличения широкой стенки стандартного волновода (7.2х3.4) мм2 распространялись моды Н10 и Н30. Путем изменения длины регулярной части менялись фазовые соотношения на раскрыве. АФР суперпозиции мод на раскрыве можно представить в виде:

Рисунок 1. Схематическое изображение синтезированного излучателя

где - комплексные амплитуды и волновые сопротивления мод.

После необходимых вычислений получаем выражение:

где

В случае апертурной синфазности мод, когда и, можем получить

иллюстрирующее формирование результирующей ДН по алгоритму векторного суммирования парциальных диаграмм, весовыми коэффициентами которых являются комплексные амплитуды мод раскрыва.

Экспериментальная установка по исследованию особенностей формирования синтезированных ДН содержит стандартную структуру: стабилизированный резонатором генератор КВЧ на диоде Ганна с относительной нестабильностью д=7Ч10-7 на рабочей длине волны л=8,5мм возбуждает многомодовый излучатель АМ (f=100кГц) полем Н10 моды волновода (7.2Ч3.4)мм2, сканирующий пространство волновой зоны зонд в виде открытого конца волновода (7.2х3.4)мм2, нагруженного диодной головкой, обеспечивает квадратичность характеристики детектирования в динамическом диапазоне 23дБ; приемное устройство в полосе пропускания Дf=200Гц на частоте модуляции измеряет и отображает ДН в логарифмическом масштабе с погрешностью не хуже 0.5дБ. Юстировка элементов установки и перемещений осуществлялась по лазерному лучу.

Рисунок 2. Экспериментальные диаграммы направленности прямоугольного волновода

На рисунке 2 представлено семейство симметричных относительно оптической оси ДН в переднем полупространстве при неизменных амплитудных и произвольных фазовых соотношениях, где диаграмма с нулями относится к случаю синфазности мод на раскрыве. Определить модовый состав по графикам не представляется возможным

Диаграммы синтезированной апертуры на рисунке 3, полученные при размещении компланарно оси тестового волновода металлической полуплоскости на разных расстояниях (d=0, 0.5a, a), отражают усложнение лепестковой структуры ДН уединенного раскрыва множителем системы и возрастание дифрагированного поля в области геометрической тени с увеличением зазора d. Угловое положение первого нуля при d=0 перемещается в положение при d=0.5a и при d=a, а в угловом интервале растет количество нулей.

(а) (б)

(в)

Рисунок 2. Экспериментальные диаграммы направленности синтезированного излучателя с зеркалом на расстоянии (а) - d=0, (б) - d=a/2, (в) - d=a

Изрезанность ДН позволяет с большей экспериментальной точностью провести измерения в бриллюэновских угловых направлениях при (дБ - кривая 1 на рисунке 2в) определить отношение амплитуд мод на раскрыве , что практически совпадает с оценкой, выполненной по методу апертурного зондирования. Применение этой методики для случая (дБ - кривая 2 на рисунке 2в) приведет к ошибочной оценке , тогда как в действительности , .

Таким образом, рассмотрена возможность применения введенной компланарно оси излучающего раскрыва металлической полуплоскости для решения задачи модового анализа. Показано, что дифракционные модели, основанные на линейном представлении оператора излучения, в общем случае многомодового возбуждения не могут использоваться, а результирующая ДН не может определяться векторным суммированием парциальных диаграмм.

Показано, что формирование компонент поля в дальней зоне прямоугольного раскрыва обусловлено суммарным действием линейных операторов

и нелинейных операторов

(где - АФР тангенциальных составляющих электрического поля в раскрыве, - проекция единичного вектора нормали к волновому фронту) и дифракционные модели, основанные на линейном представлении оператора излучения (Фурье), в случае многомодового возбуждения не могут, как обычно принято, использоваться, приводя к малодостоверным результатам модового анализа.

Анализ вариаций отношения значений отсчетов ДН от межмодовых фазовых сдвигов при кусочно-линейной аппроксимации фазового распределения двухмодовой суперпозиции прямоугольного раскрывапозволяет сделать оценки погрешности модового анализа: а) ( - несинфазность мод), б) ( - синфазность мод).

Заключение

Исследование вопросов дифракционной теории показывает, что использование моделей, основанных на линейном представлении оператора излучения, в случае многомодового возбуждения приводят к некорректным результатам, как следствие результирующая диаграмма направленности не может определяться векторным суммированием парциальных диаграмм.

Достоверные экспериментальные оценки имеют место только в условиях модовой синфазности, что при числе мод более двух является маловероятной ситуацией. Это обстоятельство ограничивает возможности применения рассмотренной методики модового анализа. Тем не менее привлекательность модового анализа по отсчетам в волновой зоне обусловлена отработанной стандартной методикой и аппаратурой проведения угломестных измерений излучающих объектов (антенн) и может являться первым (качественным) приближением.

Литература

1. Кюн. Р. Микроволновые антенны / Р.Кюн. - Л.: Судостроение, 1967. - 517 с.

2. Калошин В. А. Излучение открытого конца косо срезанного волновода / В. А. Калошин, Л. И. Пангонис, М. А. Персиков // Радиотехника и электроника. - 1974. - Т. 19. - с. 995-1000.

3. А.с. 1259195 СССР, МКИ 4 G 01 R 29/08. Устройство для измерения амплитуд типов волн в многомодовом волноводе / Б. И. Власов, В. П. Дудкин, В. Ю. Кустов (СССР). Заявлено 24.01.85. - Б. И. Власов №35. - 1986.

4. Власов Б. И. Влияние кривизны волнового фронта в апертуре мноволнового излучателя на точность спектрально-модового анализа по диаграмме направленности / Б. И. Власов, В. Ю. Кустов // Тематический сборник научных трудов «Обработка сигналов в радиотехнических системах». - Харьков. - ХАИ. - 1988. - с. 133-137.

References

1. Keung. P. Microwave antennas / R. Keung. - L.: Shipbuilding, 1967. - 517 pages.

2. Kaloshin V. A. Radiation of the open end slantwise the sheared-off wave guide/V. A. Kaloshin, L. I. Pangonis, M. A. Persikov//Radio engineering and electronics engineering. - 1974. - T. 19. - page 995-1000.

3. Ampere-second. 1259195 USSR, MCI 4 G 01 R 29/08. The device for measurement of amplitudes of types of waves in a multimode wave guide / B. I. Vlasov, V. P. Dudkin, V. Yu. Kustov (USSR). It is stated 24.01.85. - B. I. Vlasov No. 35. - 1986.

4. Vlasov B. I. Influence of curvature of a wavefront set in an aperture of the mnovolnovy radiator on accuracy spectral модового the analysis on a directional diagram / B. I. Vlasov, V. Yu. Kustov//the Thematic collection of scientific works "Processing of signals in radio engineering systems". - Kharkiv. - HAI. - 1988. - page 133-137.

Размещено на Allbest.ru