Характеристики излучения офсетной отражательной антенны, возбуждаемой решеткой комбинированных антенн | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/111

Характеристики излучения офсетной отражательной антенны, возбуждаемой решеткой комбинированных антенн

Представлены результаты численного моделирования сверхширокополосной гибридной антенны. Антенна состоит из офсетного отражателя и решетки 2´2 ортогонально расположенных комбинированных антенн, оптимизированных для возбуждения биполярными импульсами напряжения длительностью 0.5 нс с центральной частотой 2 ГГц. Антенна предназначена для мощного источника сверхширокополосного излучения. Численно на частоте 2 ГГц исследованы поляризационные характеристики излучения для двух режимов. В первом режиме последовательно формируются волновые пучки с линейными ортогональными поляризациями. Во втором режиме формируется волновой пучок с эллиптической поляризацией поля. Показана возможность управления направлением максимума излучения в двух взаимно перпендикулярных направлениях в пределах ширины диаграммы.

Radiation characteristics of offset reflector antenna excited by combined antenna array.pdf Введение В мощных источниках сверхширокополосного (СШП) излучения для увеличения пиковой напряженности электрического поля (Ep) и уменьшения ширины диаграммы направленности (ДН) широко используются отражательные антенны на основе параболоида [1-3] и офсета (вырезка из параболоида) [4, 5], а также решетки комбинированных антенн (КА) с расширенной полосой частот [6, 7]. Результаты исследований источников СШП-излучения с решетками КА обобщены в монографии [8]. Решетки КА позволяют получать импульсы СШП-излучения с ортогональными поляризациями [9], а также управлять направлением максимума ДН [10]. В последнем случае использовался четырехканальный формирователь биполярных импульсов длительностью 3 нс. В последние годы развит подход для расширения спектра излучения на основе синтеза (сложения) импульсов с разным спектральным диапазоном в свободном пространстве [11-13]. Использовались решётки 22 КА и четырехканальные формирователи биполярных импульсов длительностью 0.5, 1, 2 и 3 нс. Получены импульсы синтезированного излучения с увеличенной шириной спектра и эффективным потенциалом (произведение пиковой напряжённости поля на расстояние в дальней зоне) rEp = 200 кВ на частоте 100 Гц. Целью данной работы является исследование и разработка офсетной отражательной антенны, возбуждаемой решеткой 22 КА. Отражательные антенны, возбуждаемые решеткой, получили название гибридных. Особенностью гибридных антенн является возможность управления поляризационными характеристиками и направлением максимума ДН при различных режимах возбуждения КА. Гибридная антенна предназначена для мощного источника СШП-излучения, возбуждаемого биполярным импульсом длительностью 0.5 нс с центральной частотой спектра 2 ГГц. Для численного моделирования используется программа 4NEC2 [14]. Расчеты проводятся на центральной частоте спектра излучения импульса 2 ГГц. Предыдущие наши исследования показали, что так как большая часть энергии сосредоточена вблизи центральной частоты спектра, то основные характеристики импульса СШП-излучения, такие, как ДН и граница дальней зоны [8], коэффициент эллиптичности [15], согласуются с оценками для центральной частоты. 1. Сверхширокополосная гибридная антенна Офсетная антенна представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, образованную пересечением параболоида и цилиндра, оси которых параллельны, а облучатель расположен в фокусе параболоида. Рефлектор офсетной антенны имеет форму эллипса, а направление электрической оси параболоида отличается от направления геометрической оси рефлектора на угол ψ = 20-30°. Это исключает затенение рефлектора облучателем и повышает коэффициент использования площади антенны. Особенность офсетных антенн состоит в том, что для обеспечения максимальной эффективности максимум ДН облучателя должен быть направлен на середину рефлектора офсетной антенны. Если в качестве облучателя используется решетка 22, то сложно обеспечить симметричное амплитудное распределение вдоль большой оси эллипса. Центры излучения элементов решетки, расположенных вдоль малой оси эллипса, смещены только поперек фокальной оси параболоида. Центры излучения элементов решетки, расположенных вдоль большой оси эллипса, смещены не только поперек, но и вдоль фокальной оси параболоида. Это приводит к тому, что при возбуждении поочередно каждого элемента решетки в вертикальной плоскости не только смещается максимум ДН офсетной антенны, но и искажается форма ДН и меняется коэффициент усиления. Управление характеристиками направленности мощных гибридных антенн осуществляется, как правило, коммутацией элементов антенной решетки. Варианты размещения КА в четырехэлементной решетке показаны на рис. 1. Изменение направления максимума ДН осуществляется путем поочередного переключения элементов решетки, центры излучения которых смещены от фокуса параболоида на расстояние d. При этом максимум ДН отклонится в сторону, противоположную смещению облучателя, на угол (в радианах) , где F - фокусное расстояние; R - радиус апертуры параболоида [16]. При поочередном возбуждении пар антенн 1+4 или 2+3 максимум ДН совпадает с фокальной осью, а вид поляризации определяется поляризацией антенных элементов: элементы 1 и 4 имеют вертикальную поляризацию, а элементы 2 и 3 - горизонтальную. При этом расстояние между центрами излучения элементов решетки должно быть меньше длины волны, соответствующей центральной частоте биполярного импульса, чтобы не возникли вторичные максимумы. Если пары элементов 1+4 и 2+3 возбуждать с задержкой, равной четверти длительности биполярного импульса, то излучается поле эллиптической поляризации. Рис. 1. Варианты размещения комбинированной антенны в решетке 2. Результаты численного моделирования характеристик излучения Поскольку аналитический расчет характеристик антенны с учетом взаимодействия между элементами решетки достаточно сложен, анализ импедансных и направленных свойств офсетной антенны проводился по результатам численного моделирования, выполненного с использованием программного продукта 4NEC2, позволяющего рассчитать характеристики проволочных антенн. С использованием этой программы можно моделировать антенны, содержащие сплошные металлические поверхности, если заменить их металлической сеткой, параметр которой ν определяется соотношением [17] , где l - размер ячейки; λ - длина волны; r0 - радиус провода, из которого выполнена сетка. Такая замена позволяет рассчитать параметры антенны с точностью 2-3 %, если на средней частоте спектра импульса выполняется условие l ≤ 0.06λ. На рис. 2 показан общий вид КА, используемой в качестве облучателя, и ее проволочная модель для программы 4NEC2. Поперечные размеры КА, оптимизированной для решетки, возбуждаемой биполярным импульсом длительностью 0.5 нс, равны 6.56 см. На рис. 3 показана проволочная модель офсетной гибридной антенны. Поперечные размеры офсетного отражателя равны 1.41.6 м, а фокусное расстояние F = 70 см. Свободно распространяемая версия программы 4NEC2 имеет ограничения на количество сегментов, используемых в модели, поэтому при больших габаритах антенн размер ячейки становится больше 0.08λ и при вычислении коэффициента усиления Ga следует вводить коррекцию Ga = GN + 10lg(1 + ν2), где GN - коэффициент усиления антенны, вычисленный с помощью программы 4NEC2. Рис. 2. Комбинированная антенна и ее проволочная модель Рис. 3. Проволочная модель офсетной гибридной антенны Результаты моделирования показали, что из рассмотренных выше вариантов размещения КА в решетке предпочтительным является вариант на рис. 1, б, поскольку вариант на рис. 1, а характеризуется тем, что ухудшаются условия согласования в области нижних частот и увеличивается до 2 дБ разброс коэффициентов усиления элементов решетки, возбуждаемых поочередно. В варианте на рис. 1, б этот разброс не превышает 0.2 дБ. Зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КВСН) изолированной антенны и элементов антенной решетки от частоты f приведены на рис. 4. Рис. 4. КСВН изолированной комбинированной антенны (кр. 1), элемента антенной решетки с вариантом размещения на рис. 1, а (кр. 2) и вариантом размещения на рис. 1, б (кр. 3) Характеристики направленности офсетной антенны приведены для варианта размещения КА на рис. 1, б. На рис. 5 показаны ДН офсетной антенны в горизонтальной плоскости при поочередном возбуждении элементов 1 и 4. В этом случае максимумы ДН разнесены на 10° при ширине главного лепестка 7.7°. ДН офсетной антенны в вертикальной плоскости при поочередном возбуждении элементов 2 и 3 показаны на рис. 6. В этом случае ширина ДН составляет 6.6° для элемента 2 и 7.2° для элемента 3 при угловом расстоянии между максимумами 8°. Номера кривых на рис. 5 и 6 соответствуют номерам элементов решетки. Коэффициент усиления офсетной антенны с указанными размерами во всех случаях составляет (24.1± 0.1) дБ. Рис. 5. ДН офсетной антенны в горизонтальной плоскости при возбуждении элементов 1 и 4 Рис. 6. ДН офсетной антенны в вертикальной плоскости при возбуждении элементов 2 и 3 На рис. 7 показаны ДН в горизонтальной плоскости офсетной антенны, возбуждаемой поочередно парой вертикально поляризованных КА 1+4 (кривая 1) и парой горизонтально поляризованных КА 2+3 (кривая 2). Если биполярным импульсом длительностью 0.5 нс возбудить пару антенн 1+4 и пару антенн 2+3 с задержкой 0.125 нс, то излученное поле будет иметь эллиптическую поляризацию с коэффициентом эллиптичноссти не менее 0.6. На рис. 8 приведены ДН для поляризации поля правого (кривая 1) и левого (кривая 2) вращения на частоте 2 ГГц. Рис. 7. ДН офсетной антенны, возбуждаемой парой элементов 1+4 (кр. 1) и парой элементов 2+3 (кр. 2) Рис. 8. ДН по поляризации поля правого (кр. 1) и левого (кр. 2) вращения При синхронном возбуждении всех элементов антенной решетки максимум ДН направлен вдоль фокальной оси параболоида, а ширина главного лепестка увеличивается до 9°. Таким образом, могут быть реализованы несколько режимов излучения: пять положений максимума ДН и три вида поляризации. Заключение С использованием численного моделирования разработана комбинированная антенна, оптимизированная для четырехэлементной решетки, возбуждаемой биполярными импульсами длительностью 0.5 нс. Показано, что КСВН элемента решетки и изолированной антенны отличаются. Изучены характеристики излучения для разных режимов возбуждения антенн. Продемонстрирована возможность дискретного сканирования волновым пучком и формирования поля эллиптической поляризации.

Ключевые слова

hybrid antenna, array, combined antenna, offset reflector, гибридная антенна, ultrawideband radiation, решетка, комбинированная антенна, сверхширокополосное излучение, офсетный отражатель

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Некрасов Эдуард СергеевичИнститут сильноточной электроники СО РАНинженер-исследовательa001sd@gmail.com
Кошелев Владимир ИльичИнститут сильноточной электроники СО РАНд.ф.-м.н., профессор, гл. науч. сотр.koshelev@lhfe.hcei.tsc.ru
Балзовский Евгений ВладимировичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.bev@lhfe.hcei.tsc.ru
Буянов Юрий ИннокентьевичИнститут сильноточной электроники СО РАНк.ф.-м.н., доцент, ведущ. электроникyurbuy@yandex.ru
Всего: 4

Ссылки

Конторович М.И., Астрахан М.И., Акимов В.П., Ферсман Г.А. Электродинамика сетчатых структур. - М.: Радио и связь, 1987. - 134 с.
Milligan T.A. Modern Antenna Design. - Second Edition. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2005. - 633 p.
Андреев Ю.А., Ефремов А.М., Зоркальцева М.Ю. и др. // Радиотехника и электроника. - 2018. - Т. 63. - № 8. - С. 795-807.
Ефремов А.М., Кошелев В.И., Плиско В.В., Севостьянов Е.А. // Приборы и техника эксперимента. - 2019. - № 1. - С. 36-45.
Voor A. NEC based antenna modeler and optimizer [Online]. Available: http://www.gsl.net/4nec2/
Efremov A.M., Koshelev V.I., Plisko V.V., and Sevostyanov E.A. // Rev. Sci. Instrum. - 2017. - V. 88. - No. 9. - P. 094707.
Кошелев В.И., Плиско В.В., Севостьянов Е.А. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 8. - С. 98-102.
Ефремов А.М., Кошелев В.И., Ковальчук Б.М., Плиско В.В. // Приборы и техника эксперимента. - 2013. - № 7. - С. 61-67.
Ефремов А.М., Кошелев В.И., Ковальчук Б.М. и др. // Радиотехника и электроника. - 2007. - Т. 52. - № 7. - С. 813-821.
Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. // Радиотехника и электроника. - 2005. - Т. 50. - № 5. - С. 585-594.
Koshelev V.I., Buyanov Yu.I., and Belichenko V.P. Ultrawideband Short-Pulse Radio Systems. - Boston; London: Artech House, 2017. - 432 p.
Koshelev V.I., Buyanov Yu.I., Andreev Yu.A., et al. // Proc. IEEE Pulsed Power Plasma Science Conf. - 2001. - V. 2. - P. 1661-1664.
Balzovsky E., Buyanov Yu., Gubanov V., et al. // Proc. 20th Int. Symp on High-Current Electronics, Tomsk, Russia, 16-22 Sep. 2018. - P. 61-65.
Лисицын В.П. // Антенны. - 2006. - № 2. - С. 42-44.
Giri D.V., Lackner H., Smith I.D., et al. // IEEE Trans. Plasma Science. - 1997. - V. 25. - No. 2. - P. 318-326.
Ryu J., Lee J., Chin H., et al. // IEEE Trans. Plasma Sci. - 2013. - V. 41. - No. 8. - P. 2283-2290.
Фортов В.Е., Исаенков Ю.И., Михайлов В.М. и др. // Радиотехника и электроника. - 2013. - Т. 58. - № 11. - С. 1102-1106.
 Характеристики излучения офсетной отражательной антенны, возбуждаемой решеткой комбинированных антенн | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/111

Характеристики излучения офсетной отражательной антенны, возбуждаемой решеткой комбинированных антенн | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/111