Экспериментальное исследование характеристик излучения биконической антенны с диэлектрическим заполением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование характеристик излучения биконической антенны с диэлектрическим заполением

В работе рассмотрен способ улучшения направленных характеристик биконической антенны путем введения в апертуру неоднородной среды с переменной диэлектрической проницаемостью. Работоспособность способа подтверждена результатами численного моделирования и экспериментального исследования. Получены основные характеристики антенны.

Биконическая антенна является одной из самых распространённых в случаях, когда необходимо использовать всенаправленный излучатель в одной из плоскостей. Однако, не смотря на возможность достижения хорошего согласования в чрезвычайно широкой полосе, к недостаткам биконической антенны можно отнести нестабильность диаграммы направленности в верхней части частотного диапазона, где имеет место появление нежелательного бокового излучения. Подобные искажения направленных характеристик могут быть вызваны сильной неравномерностью сферического фронта волны в апертуре антенны. Достигнуть желаемой диаграммы направленности на верхних частотах рабочего диапазона можно путём выравнивания сферического волнового фронта при помощи неоднородной линзы с переменной диэлектрической проницаемостью. Закон распределения диэлектрической проницаемости по внутреннему пространству антенны может быть получен из соображений геометрической оптики. Согласно экспериментальным данным, такая модификация позволяет получить выигрыш усиления в основном направлении до 9 дБ.

1.Методика выравнивания волнового фронта в апертуре антенны

При получении закона изменения диэлектрической проницаемости в апертуре антенны, за основу были взяты соображения геометрической оптики. Форму волнового фронта на выходе биконической антенны можно считать сферической. Тогда преобразование фронта сводится к необходимости выровнять время хода луча во всех направлениях в апертуре антенны. Выравнивание волнового фронта (рисунок 1) подразумевает, что время прихода лучей выходящих из фазового центра в точку О на прямую CD, проходящую через крайние точки образующих конусов, должно быть равным для всех произвольных направлений ц в плоскости, проходящей через центр перпендикулярно основанию конусов [1]. Иначе говоря, время хода луча при максимальном угле раскрыва б (tОС) должно быть равно времени хода самого короткого луча, выходящего под нулевым углом к оси (tОА), а так же равно времени хода любого луча, выходящего под произвольным углом ц (tОD). В работе [2] подробно рассмотрен способ получения закона диэлектрической проницаемости (1) во внутреннем пространстве антенны:

где ц - направление излучения в плоскости апертуры.

Рис. 1. К вопросу о выравнивании волнового фронта в апертуре антенны.

Максимальное значение диэлектрической проницаемости выбирается таким образом, чтобы в направлении максимального угла раскрыва значение диэлектрической проницаемости превышало единицу (е(б)>1). Это условие вытекает из требования к физической реализуемости структуры. В случае, когда минимальная диэлектрическая проницаемость равна 1, то есть в направлении б отсутствует закон заполнения диэлектриком (1), вырождается в выражение (2):

Отметим, что для применения закона (2) отсутствует необходимость отдельно подбирать значение еmax.

2.Реализация линзы c переменной диэлектрической проницаемостью в пространстве

Необходимо отметить, что реализация описанного закона представляет собой определённые трудности, связанные с невозможностью реализации на практике диэлектрика с плавно изменяющейся проницаемостью во всём объёме по заранее описанной зависимости. Исходя из технических возможностей, было принято решение изготавливать линзу при помощи технологии трёхмерной печати, используя в качестве основного материала полистирол. Такой выбор обусловлен доступностью материала, а так же низкими потерями в диэлектрике. Для получения переменной диэлектрической проницаемости в объёме, пространство внутри антенны разделяется на множество блоков, размер каждого из которых чрезвычайно мал по сравнению с длиной волны, соответствующей верхней граничной частоте рабочего диапазона антенны. Каждый блок заполняется воздухом и полистиролом в соотношении, позволяющем получить необходимую эквивалентную диэлектрическую проницаемость в его геометрическом центре в соответствии с законом (1). Эквивалентная диэлектрическая проницаемость малого объема вычисляется по формуле Лихтеннекера для двух материалов (3), в нашем случае - воздуха и полистирола.

где еп - диэлектрическая проницаемость полистирола, ип - объёмное содержание полистирола в ячейке.

Таким образом, из (3) можно получить необходимый объём вещества диэлектрика в каждой ячейке. Способ разбиения пространства, как и форма ячеек, были выбраны из геометрических соображений. Одна ячейка представляет собой на плоскости часть сектора, ограниченную двумя окружностями разного диаметра с общим центром. Высота каждой ячейки равна 0,2 мм и выбиралась исходя из технических возможностей имеющегося оборудования. Для надёжности конструкции антенны выбрана минимальная диэлектрическая проницаемость еmin = е(б) = 1,25. Такой выбор позволяет реализовать конструктив, в котором отсутствуют большие воздушные зазоры, и линза плотно прилегает к образующим конусам. При этом максимальное значение диэлектрической проницаемости не превышает проницаемости полистирола. В процессе изготовления поочерёдно формируются слои, начиная от центрального (ц=0). Один из этапов процесса изготовления линзы проиллюстрирован на рисунке 2. На рисунке 3 демонстрируется готовая конструкция антенны с помещённой в неё линзой.

В результате разбиения пространства на ячейки закон распределения диэлектрической проницаемости изменяется не непрерывно, а дискретным образом. Тем не менее, моделирование показало целесообразность такого подхода.

Как видно из рисунка 4, на частоте 18 ГГц фазовый фронт в апертуре антенны претерпевает значительные изменения после введения линзы: фронт становится заметно более близким к идеальному плоскому.

3.Анализ результатов моделирования и экспериментального исследования

биконический диэлектрический антенна

Моделирование биконической антенны проводилось методом конечных разностей во временной области. В результате симуляции были получены следующие характеристики. Рабочий частотный диапазон антенны начинается с 2,6 ГГц по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), равному 2. Как видно из рисунка 5, результаты численного моделирования хорошо совпадают с экспериментальным исследованием макета.

При этом реальный КСВН макета с введённой в пространство между образующими конусами линзой, как видно из рисунка 6, оказался лучше ожидаемого по результатам моделирования. Это объясняется снижением уровня переотражений в раскрыве антенны.

Рис. 2. Процесс изготовления диэлектрического заполнения антенны с использованием технологии трёхмерной печати.

Рис. 3. Экспериментальный макет биконической антенны с диэлектрическим заполнением

Рис. 4. Волновой фронт в апертуре антенны на частоте 18 ГГц биконической антенны без линзы (а) и с помещённой в апертуре линзой (б).

Рис. 5. КСВН биконической антенны без диэлектрического заполнения.

Диаграмма направленности биконической антенны без линзы имела довольно сильное боковое излучение, начиная с частоты 12 ГГц, а начиная с 16 ГГц уровень бокового излучения превышал излучение в основном направлении более чем на 3 дБ. Качественное изменение диаграммы направленности при введении линзы продемонстрировано на рисунке 7. График зависимости усиления от частоты во всём рабочем диапазоне антенны приведён на рис.8.

Из графика очевидно, что линза позволяет получить выигрыш в основном направлении до 9 дБ в верхней части частотного диапазона, а также начинает оказывать положительное влияние начиная с 13 ГГц.

Рис. 6. КСВН биконической антенны с диэлектрическим заполнением

Рис. 7. Изменение диаграммы направленности на частоте 18 ГГц.

Рис. 8. КСВН биконической антенны с диэлектрическим заполнением

Заключение

Анализ полученных экспериментально данных позволяет говорить о высокой эффективности предложенного метода улучшения направленных характеристик биконической антенны путём коррекции волнового фронта в апертуре антенны. Хорошее согласование результатов численного моделирования и экспериментальных измерений указывает на относительную лёгкость применимости методики и предсказуемость результатов. Полученные данные подтверждают положительное влияние диэлектрической линзы на характеристики согласования и направленности биконической антенны.

Несмотря на сложность реализации заполнения с переменной диэлектрической проницаемостью, предложенный способ дискретизации пространства позволяет получить линзу, отвечающую всем заданным требованиям, используя всего лишь один вид полимера, являющийся вполне доступным и обладающий низким уровнем потерь. При этом методика не исключает применения других видов диэлектриков по выбору разработчиков. Изготовление линзы является технологически сложным процессом, требующим высокой точности, однако не представляет особых сложностей при использовании возможностей трёхмерной печати.

Литература

1.Зелкин Е.Г, Петрова Р.А. Линзовые антенны. М., Сов. радио, 1974. - 280 с.

2.Бобрешов А. М. Использование заполнения с неоднородной диэлектрической проницаемостью для выравнивания волнового фронта в биконической антенне. / Бобрешов А. М., Лысенко Н.А., Маркова Е.А., Усков Г.К., Шувалов А.В. // Радиолокация, навигация, связь: XXII Международная научно-техническая конференция, 2016, Т. 2. - С. 961-966.

3.Бобрешов А. М. Влияние неоднородного диэлектрического заполнения на направленные свойства ТЕМ-рупора. / Бобрешов А. М., Кретов П.А., Сбитнев Н.С., Усков Г.К. // Радиолокация, навигация, связь: XXII Международная научно-техническая конференция, 2016, Т. 2. - С. 946-952.

4.Венецкий, А. С. Синтез градиентной линзовой антенны с осевой симметрией и криволинейной формой преломляющих поверхностей / Венецкий, А. С., Калошин В.А. // Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, №12. - С. 1452 - 1458.

5.Бобрешов, А. М.. Влияние параметров апертуры ТЕМ-рупорных антенн на характеристики излучаемых сверхкоротких импульсов / Бобрешов, А. М., Кретов П.А., Мещеряков И.И., Усков Г.К // Радиолокация, навигация, связь: XX Международная научно-техническая конференция, 2014, Т. 1. - С. 264-269.

Размещено на Allbest.ru