Comparison of effective potentials of ultra-wideband combined and helical antennas.pdf Введение В мощных источниках сверхширокополосных (СШП) импульсов в качестве излучающего элемента широко используют комбинированные антенны или решетки комбинированных антенн [1, 2]. Комбинированные антенны для излучения мощных СШП-импульсов были предложены Ю.И. Буяновым в начале 90-х годов прошлого века. Идея комбинированной антенны с расширенной полосой пропускания также была предложена Ю.И. Буяновым в конце 90-х годов прошлого века. Конструкция комбинированной антенны с расширенной полосой пропускания, впервые представленная в 2001 г. [3], в настоящее время интенсивно исследуется и модернизируется разными группами исследователей [4-7]. В мощных источниках СШП-излучения также широко применяются одиночные спиральные антенны [8, 9] и решетки спиральных антенн [10-13]. Наиболее широкое применение получили эквидистантные цилиндрические [8, 10, 12, 13] и конические спиральные антенны [9, 11]. Импульсы напряжения, возбуждающие излучатели в мощных СШП-источни¬ках, могут быть монополярными, биполярными или иметь форму затухающей синусоиды. Характеристики комбинированных антенн (решеток комбинированных антенн) существенно отличаются от соответствующих характеристик спиральных антенн (решеток спиральных антенн). Однако для мощных источников СШП-излучения существует универсальная характеристика, позволяющая сравнивать различные источники излучения, в том числе с различными излучателями. Эта характеристика - величина эффективного потенциала rEp, где Ep - пиковое значение электрического поля, измеренного в дальней зоне излучателя на расстоянии r. Целью данной работы является сравнение экспериментальных характеристик комбинированных и спиральных СШП-антенн. Антенны оптимизированы для излучения одинаковых биполярных импульсов длительностью 1 нс. Найдем эффективные потенциалы излученного поля комбинированных антенн и спиральной антенны при одинаковых возбуждающих импульсах напряжения. Рассмотрим случай произвольной ориентации приемной линейно-поляризованной антенны в плоскости, перпендикулярной направлению главного максимума излучения антенн. Исследуем вероятность того, что rEp спиральной антенны окажется больше эффективного потенциала комбинированной антенны. Из анализа характеристик данных антенн и соотношения их эффективных потенциалов можно сделать вывод о перспективах применения их в мощных источниках СШП-излучения. Геометрия СШП-комбинированных антенн и спиральной антенны В качестве объектов исследования выступали: «базовая» комбинированная антенна (CA) [4], модернизированная комбинированная антенна (MCA) [4] и спиральная эквидистантная цилиндрическая антенна [12]. Внешний вид антенн представлен на рис. 1. Комбинированные антенны являются электрически малыми, их размеры примерно равны пространственной протяженности возбуждающего биполярного импульса в свободном пространстве [14]. MCA отличалась от СА увеличенной апертурой (за счет увеличения размера нижнего лепестка ТЕМ-рупора (рис. 1)) и геометрией в области входа, что позволяло улучшить согласование МСА в области высоких частот [4]. Размеры СА (длинавысоташирина) составляли 171515 см (рис. 1, а), а МСА - 171815 см (рис. 1, б). Размеры спиральной антенны (рис. 1, в) следующие: диаметр земляной пластины D = 30 см, средний диаметр спиралей d = 9.6 см, межвитковое расстояние S = 6.7 см и количество витков N = 6. Длина спирали равнялась 42 см. Выбранные размеры d и S обеспечивали режим осевого излучения на центральной частоте f0 = 1 ГГц (данная частота соответствует максимуму спектра в возбуждающем биполярном импульсе). а б в Рис. 1. Внешний вид исследуемых антенн: «базовая» комбинированная антенна (а), модернизированная комбинированная антенна (б) и спиральная цилиндрическая антенна (в) Исследование СШП-комбинированных антенн и спиральной антенны в частотной области Рис. 2. Зависимость КСВН комбинированных антенн и спиральной антенны от частоты Для исследования согласования антенн с фидерным трактом были проведены измерения коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН). Исследования выполнялись на измерителе комплексных коэффициентов передачи Agilent N5227A с полосой частот 67 ГГц. Результаты измерения КСВН представлены на рис. 2. Из приведенных графиков видно, что СА имеет потенциал для модернизации, что доказывает КСВН МСА, и полоса согласования МСА расширена в область как низких, так и высоких частот. Полоса согласования спиральной антенны существенно меньше соответствующей полосы для комбинированных антенн в области низких частот. Однако в области частот, соответствующих режиму осевого излучения 3/4 < С/0 < 4/3 [15] (где С - длина окружности образующей цилиндра спирали, а 0 - длина волны, соответствующая частоте f0), спиральная антенна хорошо согласована с фидерным трактом. Дополнительное расширение полосы согласования спиральной антенны не приведет к увеличению rEp. Исследование СШП-комбинированных антенн и спиральной антенны во временной области Исследования проводились в безэховой камере. Исследуемые антенны работали в режиме излучения. На вход антенн подавался биполярный импульс напряжения от генератора Trim ТМГ 1000.110Р01 (рис. 3). Зная КСВН антенн и возбуждающий импульс напряжения, можно рассчитать долю энергии входного импульса, отраженную от антенн [4]. Выполненные расчеты дают долю отраженного импульса для СА равную 0.13, для МСА - 0.09, а для спиральной антенны - 0.27. Таким образом, отраженная от спиральной антенны энергия более чем в 2 раза выше соответствующей энергии для комбинированных антенн. Рис. 3. Импульс напряжения на входах антенн Рис. 4. Годограф поля Е, излученного спиральной антенной вдоль ее оси В качестве приемной антенны использовалась половина ТЕМ-рупора со следующими размерами: земляная пластина 12050 см2, длина верхнего электрода 90 см, ширина 40 см, высота раскрыва 8 см. Импульсы с выхода приемной антенны регистрировались осциллографом Le Croy Wave Master 830Zi с полосой частот 30 ГГц. В ходе исследований ТЕМ-рупор регистрировал вертикально поляризованную компоненту поля Еy или горизонтально поляризованную компоненту Ех. Для построения диаграммы направленности (ДН) комбинированных антенн, излучение которых линейно поляризовано, находилось пиковое значение только Еу-компоненты поля. Излучение спиральной антенны эллиптически поляризовано, и на рис. 4 представлен нормированный годограф поля Е для излученного импульса в направлении оси спирали  = 0°,  = 0° (где  - азимутальный угол,  - угол места). Измерение годографа проводилось на расстоянии 3 м от спиральной антенны, т.е. заведомо в дальней зоне излучения. Коэффициент эллиптичности излучения p мы определяем не как отношение малой и большой полуосей эллипса, а как отношения малой и большой осей эллипса. Это связано с несимметричностью осей эллипса относительно начала координат. Таким образом мы усредняем значение p. Большая ось эллипса проходит через ноль и точку, соответствующую пиковому значению модуля Е. Коэффициент эллиптичности излучения p = 0.9. ДН спиральной антенны строились по пиковым значениям модуля поля Е, которые находились из годографов, полученных с разрешением по углу до 1° в главных плоскостях. Расстояние между передающими и приемной антенной составляло 3.94 м. На рис. 5 представлены нормированные ДН антенн по пиковому полю в Н-( рис. 5, а) и Е-плоскостях (рис. 5, б). Ширина ДН СА антенны по уровню 0.707 в Н-плоскости составила 89°, что соответствует ширине ДН МСА в той же плоскости 90°. Ширина ДН СА в Е-плоскости (104°) также незначительно отличается от ширины ДН МСА (107°). ДН МСА отличается от базовой положением максимума в Е-плоскости. Для СА он соответствует углу места  = 7°, а для МСА  = 0°. Ширина ДН спиральной антенны примерно в 2 раза уже: 44° в Н- и 44° в Е-плоскости. Рис. 5. ДН по пиковому полю антенн СА, МСА и спиральной антенны в H- (а) и E-плоскостях (б) На следующем этапе исследований регистрировались излученные импульсы в направлении  = 0°,  = 0°. Результаты исследований представлены на рис. 6 в виде временной зависимости rEy(t). Здесь приведены импульсы излучения СА, МСА и спиральной антенны. Комбинированные антенны СА и МСА в ходе экспериментов располагались вертикально, и приведенные на рис. 6 импульсы максимальны по амплитуде. Импульс спиральной антенны также максимален по амплитуде (рис. 6), что достигалось при ориентации конца спирали на 3 ч (9 ч), если смотреть от конца спирали в направлении земляной пластины. В этом исследовании фиксированы импульс напряжения, поступающий на антенные входы, и положение приемной антенны. Расстояние r в экспериментах выбиралось не от центров излучения комбинированных [6] или спиральной [16] антенн, а от земляной пластины спиральной антенны и задней стенки СА и МСА. Возможно, здесь есть неточность в определении rEp, но, с одной стороны, расстояние велико (r = 3.86 м), а с другой - мы хотели зафиксировать положение исследуемых антенн. Как видно из приведенных графиков, rEp для антенны МСА увеличился на 6 % по сравнению с СА. Это хорошо согласуется с результатами [4], где увеличение составило 6.5 %, но использовался другой импульс генератора. Неожиданным результатом стало высокое значение rEp для спиральной антенны - 89 % от эффективного потенциала для СА и 84 % - для МСА. Зная значения эффективного потенциала и пиковое значение напряжения в импульсе на входе антенн Ug, можно найти эффективность исследуемых антенн по пиковому полю [2], определяемую как kE = rEp/Ug. В наших исследованиях для спиральной антенны kE =1, что совпадает со значением kE, полученным ранее для такой же спиральной антенны, но с меньшим количеством витков (N = 4.5) [12]. А вот значение kE = 1.12 для СА и kE = 1.19 для МСА оказались существенно ниже ожидаемых. Например, в [2] для комбинированной антенны, оптимизированной для возбуждения биполярным импульсом напряжения длительностью 3 нс, kE = 2. Рис. 6. Зависимость эффективного потенциала СА, МСА и спиральной антенны от времени в направлении излучения  = 0°,  = 0° На заключительном этапе исследований находился эффективный потенциал антенн на оси  = 0°,  = 0° при произвольном положении приемной линейно-поляризованной антенны. Исследования проводились по стандартной методике измерения поляризационной диаграммы [17]. Отличие заключалось в том, что компонента Еp() находилась во временной области ( - угол вращения исследуемой антенны). Вращать габаритный ТЕМ-рупор - достаточно сложное занятие, поэтому задача решалась вращением исследуемых антенн вдоль оси жесткого коаксиального входа. ТЕМ-рупор регистрировал Ey-компоненту поля. Шаг угла  составлял 15. За начало отсчета (угол  = 0°) для СА и МСА было выбрано вертикальное положение антенн (см. рис. 1, а и б), соответствующее максимуму rEp (антенны линейно поляризованы). На рис. 7, а представлена СА в ходе измерения поляризационной диаграммы ( = 180°). а б Рис. 7. Внешний вид СА (а) и спиральной антенны (б) в ходе измерения поляризационной диаграммы Положение спиральной антенны в ходе исследования было произвольным. Однако наибольший интерес представляют два варианта расположения спирали. Первый, когда за начало отсчета ( = 0°) было выбрано положение конца спирали на 12 ч, если смотреть вдоль оси от конца спирали на ее начало (рис. 7, б). Данное положение спирали соответствовало минимуму rEp [10], так как большая ось поляризационного эллипса расположена горизонтально. Результаты измерений для данной геометрии приведены на рис. 8, а. Второй, когда за начало отсчета ( = 0°) было выбрано положение конца спирали на 3 ч (положение спирали соответствовало максимуму rEp, большая ось поляризационного эллипса расположена вертикально). Результаты измерений для данной геометрии приведены на рис. 8, б. В экспериментах получен коэффициент эллиптичности эллипса поляризации для спиральной антенны p = 0.88 (рис. 8), что хорошо согласуется с полученным ранее значением (см. рис. 4). Находилась вероятность того, что эффективный потенциал спиральной антенны окажется больше rEp комбинированной антенны. Как и следовало ожидать, rEp комбинированных антенн выше rEp спиральной антенны вблизи углов поворота 0 и 180°. Вблизи углов поворота 90 и 270° (где излучение комбинированных антенн близко к нулевому) становится выше rEp спиральной антенны. Диапазон углов, в котором rEp СА выше rEp спиральной антенны, составляет 138° (рис. 8, а) и 123° (рис. 8, б), а вероятность, что приемная антенна попадет в данный диапазон углов, равна 0.38 и 0.34 соответственно. Диапазон углов, в котором rEp МСА выше rEp спиральной антенны, составляет 146° (рис. 8, а) и 134° (рис. 8, б), а вероятность, что приемная антенна попадет в данный диапазон углов, равна 0.41 и 0.37 соответственно. Рис. 8. Поляризационные диаграммы СА, МСА и спиральной антенны Заключение В работе показано, что комбинированные антенны имеют потенциал для модернизации. Эффективный потенциал базовой комбинированной антенны можно увеличить на 6 % в направлении  = 0°,  = 0°. Сравнивая СШП-комбинированные и спиральную антенны, оптимизированные для излучения одинакового биполярного импульса напряжения, мы приходим к следующим выводам. Комбинированные антенны более компактны, более широкополосны и обладают лучшей энергетической эффективностью. ДН комбинированных антенн в 2 раза шире ДН спиральных антенн, что позволяет создавать антенные решетки со сканированием волновым пучком на основе комбинированных антенн. Эффективный потенциал комбинированных антенн в направлении  = 0°,  = 0° больше эффективного потенциала спиральной антенны. Однако величина Ep для спиральной антенны будет больше Ep комбинированной антенны на плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения при измерении поля линейно-поляризованной антенной. Вероятность этого события равна 0.6. Главным преимуществом спиральной антенны является эллиптическая поляризация ее излучения. Выбор излучающей системы в мощных источниках СШП-излучения должен учитывать данную информацию. Авторы благодарят В.В. Плиско за помощь в работе и центр коллективного пользования (ТомЦКП СО РАН) за предоставленные приборы: LeCroy Wave Master 830Zi-A и Agilent N5227A.

Скачать электронную версию публикации