Искажения сверхкоротких импульсов при излучении их антеннами с квазиигольчатой диаграммой направленности Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.67

ИСКАЖЕНИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ИЗЛУЧЕНИИ ИХ АНТЕННАМИ С КВАЗИИГОЛЬЧАТОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ А.В. Ашихмин, Ю.Е. Калинин, А.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак

Рассмотрена возможность применения радиопеленгаторных кольцевых антенных решеток, составленных из симметричных ТЕМ-рупоров и элементов Вивальди, для излучения сверхкоротких импульсов. Определены величины искажений сформированных импульсов в зависимости от направления их излучения.

Ключевые слова: ТЕМ-рупор, антенна Вивальди, сверхкороткий импульс, направление излучения

Как известно, в настоящее время в комплексах радиолокации, радиопеленгации и радиомониторинга очень часто используются антенные решетки (АР), состоящие из направленных элементов, что обусловлено их повышенным энергетическим потенциалом по сравнению с антенными решетками, составленными из элементов с тороидальной диаграммой направленности, а также широким диапазоном рабочих частот [1, 2]. В одной из глав работы [2] были изучены сверхширокополосные антенны, показанные на рис. 1, и составленные из них кольцевые радиопеленгаторные антенные решетки, однако вопрос о возможности использовать данные устройства для излучения и приема сверхкоротких импульсов (СКИ) остался открытым. Таким образом, целью настоящей работы является рассмотрение процессов излучения СКИ вышеупомянутыми сверхшироко-полосными антеннами (одиночными и в составе АР).

Для анализа функционирования исследуемых антенных устройств в сверхширокой полосе частот был применен метод конечного интегрирования Вейланда [3], с помощью которого были рассчитаны частотные зависимости коэффициентов усиления исследуемых антенн и составленных из них антенных решеток (рис. 2), а также номограммы их полных входных сопротивлений и соответствующие им графики коэффициентов стоячей волны по напряжению (КСВн).

Рис. 1. Исследуемые антенны: а) ТЕМ-рупор с осевой длиной 110 мм и раскрывом 60x60 мм2; б) антенна Вивальди размерами 100x58x0.5 мм3, материал подложки марки «Роджерс» (е = 3.48)

О, дБ 18

Ашихмин Александр Владимирович - ЗАО «ИРКОС», д-р. техн. наук, тел. (473) 239-23-00

Калинин Юрий Егорович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор

Негробов Александр Владимирович - ОАО «НКТБ «Феррит», канд. техн. наук, тел. 8(905) 050-19-87 Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46

г-

1 0 н .М-ру остав пор в sAP \ TEIV ОДИ1 -рупо очны р S”*

X. " * I

ч *Л к.

;if} Зивал дино 7

шая Зиваг соста / ЬДИ в sc АР

:/гя

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

5 ГГц

Рис. 2. Зависимости коэффициентов усиления исследуемых антенн и составленных из них решеток от частоты

Как видно из рис. 2, с точки зрения равномерности коэффициента усиления обе антенны и антенные решетки, построенные на их базе, эффективно функционируют гораздо выше по частоте, по сравнению с участком 3 - 8 ГГц, который является рабочим в комплексах радиопеленгации [2]. Можно отметить, что антенна Вивальди имеет коэффициент усиления с неравномерностью ±1 дБ в полосе от 7.4 до 23.7 ГГц (коэффициент перекрытия по частоте 3.2), а ТЕМ-рупор - в полосе от 12 до 26.5 ГГц (коэффициент перекрытия 2.2). Для чистоты сравнительного анализа процесса излучения СКИ данными антеннами, было принято решение возбуждать их сверхкороткими импульсами в общем для них (по критерию неравномерности коэффициента усиления) диапазоне частот: 12 -

26,5 ГГц (с некоторыми допущениями для антенны Вивальди в верхней области рассматриваемого диапазона); вторым интервалом частот, в котором также исследовались сверхшироко-полосные антенны, является рабочий диапазон радиопеленгаторного комплекса, то есть 3 - 8 ГГц (коэффициент перекрытия 2.67).

С целью улучшения согласования антенны Вивальди с подводящим трактом в нижней области частотного диапазона было принято решение в месте ее запитки изменить геометрию металлизации таким образом, чтобы с обеих сторон подложки металлические полоски перекрывались между собой, тем самым добавляя недостающую емкостную компоненту к входному сопротивлению рассматриваемой щелевой структуры.

При анализе функционирования сверхши-рокополосного элемента в составе антенной решетки с точки зрения упрощения электродинамической модели целесообразной представилась возможность моделирования не всей АР, состоящей из семи антенн [2], а лишь ее части, представленной тремя элементами, два из которых (крайние) являются пассивными переизлу-чателями, нагруженными на согласованные сопротивления, а средний - активный излучатель. Такое допущение в первом приближении можно считать правомерным, поскольку на область главного лепестка диаграммы направленности приходится существенно большая доля суммарной энергии излучения (« 90%), и лишь два соседних элемента расположены в этой области активного излучателя.

Численный эксперимент, поставленный с целью выявления зависимости величины искажений СКИ от направления их излучения, можно описать следующим образом: в дальней зоне на расстоянии десяти длин исследуемой

антенны от точки ее запитки под различными углами относительно оси симметрии излучающей структуры размещены математические модели диполей с размерами материальной точки. На этих диполях измеряется напряжение, наводимое падающей волной, излученной исследуемой антенной при подаче на ее вход сверхкороткого импульса. Для решения поставленной задачи целесообразным представлялось размещение моделей диполей на указанном ранее расстоянии в азимутальной и угломестной плоскостях под углами 30 и 60 градусов к оси симметрии антенны, на самой оси, а также в двух промежуточных точках пространства с одинаковыми угловыми координатами, также равными 30 и 60 градусам.

На рис. 3 представлены результаты электродинамического моделирования исследуемых антенн и антенных решеток, составленных из них, в диапазоне рабочих частот радиопеленга-торного комплекса (3 - 8 ГГц). Графики возбуждающего и излученных импульсов по временной шкале совмещены для лучшего визуального восприятия разницы их форм. Расчет группового времени задержки и коэффициентов корреляции сигналов был произведен аналогично расчету этих величин в [4].

По полученным в ходе исследований зависимостям, часть из которых для примера приведена на рис.3, можно сделать следующие выводы:

1. Обе исследуемые антенны в составе решетки сильнее искажают сверхкороткий импульс, чем они же в качестве одиночных излучателей, что можно объяснить близостью пассивных элементов и возникающих вследствие этого переотражений сигнала, являющихся в свою очередь причиной существования супер -позиции полей в точке наблюдения, формируемых активным элементом и двумя пассивными;

2. Как было показано ранее в [4], а также в настоящей работе подтверждается полученными результатами, часть из которых приведена на рис. 3, СКИ претерпевает меньшие искажения при излучении антенной Вивальди по сравнению с ТЕМ-рупором. Лишь в отдельных случаях (при направлении излучения по азимуту / углу места, равном 00/30) можно наблюдать для рупора большую корреляцию излученного и возбуждающего сигналов, чем для щелевой антенны. В случаях регистрации СКИ в направлениях 00/00, 00/30, 00/60 и 30/00, длительность импульса, излученного обеими антеннами в составе АР в опыте с Вивальди меньше, чем с ТЕМ-рупором, однако, для трех последующих

направлений ситуация меняется на противоположную;

3. Величина искажений сверхкоротких импульсов в большей степени зависит от изменения направления излучения по углу места, нежели по азимуту. Причину этого можно объяснить тем, что амплитудные диаграммы направленности одиночных исследуемых антенных элементов имеют больший уровень боковых лепестков именно в угломестной плоскости, чем в азимутальной. И, кроме того, с ростом частоты относительная доля энергии, приходящаяся на боковые лепестки, увеличивается по сравнению с энергией в области главного. Можно также отметить, что при отклонении направления излучения от оси симметрии излучающей структуры на угол 600 высокочастотные составляющие СКИ формируются уже не в области главного, а в области боковых лепестков, что приводит к амплитудно-фазовым искажениям сигнала.

1 Входной сигнал " Одиночны элемент н

1 [ 1* \

V Г \! Ц Г* 4.Р

¥

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Время, НС

а)

1 Входной сигнал, - А

і і к Оди / ночны элемс ;нт

V \д >

V 1

і--------------------------—------------------------1-------------------------------------------------—

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Время, не

б)

і Входной А л

і л /1 3 л ^ Оди / ночны элеме ;нт

V Ч \д 1

V /

і --------------------------------------------------1--------------------------------------------------—

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Время, не

в)

Вхо СИІ дной ’нал \ х (\ Одиночный

л ^ А * П л : V »11 А* / ійгі

тії , /с! Г*

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

Время, НС

г)

Рис. 3. Временные зависимости сигналов, излученных в направлениях азимута/угла места 00/00, 60/60 градусов, соответственно для ТЕМ-рупора: а), в), и антенны Вивальди: б), г), в частотном диапазоне 3 - 8 ГГц.

Для примера можно рассмотреть величину возникающих искажений СКИ при их излучении в направлениях 00/60 и 60/00. По представленным зависимостям амплитудно- и фазочастотной характеристик (рис. 4 и 5, соответстве-но) видно, что причиной больших искажений в угломестной плоскости по сравнению с азимутальной для рупорной антенны является как неравномерность коэффициента усиления, так и сильная нелинейность фазовой характеристики; щелевому же элементу присущ почти линейный характер поведения ФЧХ при наблюдении излучаемого сверхкороткого импульса в обеих плоскостях, однако зависимость коэффициента усиления в направлении 00/60 имеет большую неравномерность, чем в направлении 60/00. Интересную особенность можно отметить, если сравнить зависимости коэффициента усиления и ФЧХ антенн в направлениях 00/00 и 30/00: фазовые характеристики имеют квазилинейный характер, и с ростом частоты разность между ними не становится существенной, а графики на рис. 4 для направления 30/00 более равномерны, чем для 00/00. В результате СКИ при излучении в направлении 300 в азимутальной плоскости претерпевает даже меньшие искажения, чем при излучении в осевом направлении.

дБ 15-------1------------------------------

Г, ГГц

а)

в, дБ 15 10 5 0

-5 -10 -15

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8

£ ГГц

б)

Рис. 4. Зависимости коэффициента усиления ТЕМ-рупора (а) и антенны Вивальди (б) от частоты в направлениях азимута/угла места 00/00, 00/30, 00/60, 30/00, 60/00 градусов в диапазоне 3 - 8 ГГц.

?>, 40 20 0 -20 -40 -60

0 0/00

/ 0/00 _

. ч Ч ч — -

4 ч 4 ч ■— -Л — -—

ч. ч 30/00

/

0( /60 00/30 ><4 \ -ч.

\ #<ч ч

\

З 3.5 4 4.5

Рис. 5. Фазочастотные характеристики ТЕМ-рупора (а) и антенны Вивальди (б) в направлениях азимута/угла места 00/00, 00/30, 00/60, 30/00, 60/00 градусов в диапазоне 3 - 8 ГГц

Как было упомянуто ранее, по критерию равномерности коэффициента усиления общим для обеих исследуемых антенн является частотный диапазон 12 - 26,5 ГГц, в котором по методике, описанной выше, также был поставлен численный эксперимент. Результатами его проведения являются полученные нормированные временные зависимости сверхкоротких импульсов, частично проиллюстрированные на рис. 6.

Результаты проведенного численного моделирования аналогичны результатам эксперимента, описанного ранее в диапазоне частот 3 -8 ГГц, однако, с некоторыми различиями, в частности, значения группового времени задержки и коэффициента взаимной корреляции возбуждающего и сформированного излучателем импульса отражают иной характер зависимости этих параметров от направления излучения по сравнению с тем, который был в диапазоне 3 -8 ГГц, что наглядно видно из рис. 7.

0.5

Оді э; 1НОЧ іемеь 4ЫЙ ІТ Входноі Л ,сигнал

ХАР

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Время, НС

г)

Рис. 6. Временные зависимости сигналов, излученных в направлениях азимута/угла места 00/00 и 60/60 градусов, соответственно для ТЕМ-рупора: а), в) и антенны Вивальди: б), г) в частотном диапазоне 12 - 26,5 ГГц

кг

1

" У" к\\\

\\ пор — Ваві

льди \ \

\ \

00/00 00/30 00/60 30/00 30/30 60/00 60/60

Азимут / угол места направления излучения, 0

Рис. 7. Зависимости коэффициентов корреляции излученного и возбуждающего СКИ при их формировании исследуемыми одиночными антеннами в диапазонах частот 3 - 8 ГГц (сплошная линия) и 12 - 26,5 ГГц (пунктирная линия) от направления излучения

Легко заметить, что характер зависимостей коэффициентов корреляции от направления излучения на рис. 7 сходен почти для всех случа-

ев: величина взаимосвязи излученного и возбуждающего импульсов больше в тех точках, координаты которых по оси абсцисс отображают изменение направления излучения в азимутальной плоскости. Исключение составляет эксперимент с антенной Вивальди в диапазоне 12 -

26,5 ГГц, где ситуация противоположная: отклонение от оси симметрии в азимутальной плоскости сильнее сказывается на деформировании СКИ, чем отклонение в угломестной.

Данную особенность объясняют графики с рис. 8,б и 9,б для двух пар направлений: 00/30 и 30/00, 00/60 и 60/00. Также видно, что, в целом, исследуемые антенны с точки зрения минимизации искажений сверхкоротких импульсов эффективнее функционируют в диапазоне частот, являющимся рабочим для радиопеленга-торных комплексов [2] (3 - 8 ГГц), в отличие от более высокочастотного диапазона 12 - 26,5 ГГц, выбранного для проведения экспериментов по критерию равномерности коэффициента усиления антенн.

й, дБ 20

ю

-ю

-15

-20

-25

00 о 00/30

— -г' —-Г ^ ^ N —■ V — — — -V —

/ .... < ^30/00 -

\ ! * V*

'Ч \ л

Ч/ 60/00

16

20

26

Г, ГГц

а)

в, дБ 15

-20

-25

-30

-35

" • 7- ■ -

00/( )0/ • —- .

■ч \ 00/30 / -

'V \

-л Ґ / \

\ 00 /60 \ /

/ 30/С 0 У

/ 60/00 - /1

ср, 100 ■ о ■

-100 ■ -200 ■ -300 ■ -400 -500 -600 -700 -800 --900 -1000 -1100 -1200

60/0 0 30/0 3

■ —- -1_' -

7 V - —

\ /

00 00

\

3/60

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

{, ГГц

а)

<р, 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800

00 / /00 00/3 / 0

— ■ /

.... ~ ■-

т

3 )/00

0/00 00/ > ч.

э0

12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Г ГГц

б)

Рис. 9 Фазочастотные характеристики ТЕМ-рупора (а) и антенны Вивальди (б) в направлениях азимута/угла места 00/00, 00/30, 00/60, 30/00, 60/00 градусов в диапазоне 12 - 26.5 ГГц.

Таким образом, на основании проведенных и описанных выше исследований можно сделать выводы: деформация СКИ одиночными излучателями меньше, чем антеннами в составе решетки; изменение направления излучения сигнала по углу места оказывает большее влияние на искажение импульса, чем такое же изменение по азимуту; с позиций уменьшения деформации сигналов для ТЕМ-рупора больше приемлем рабочий диапазон частот комплекса радиопеленгации, а для щелевой антенны бегущей волны - 12 - 26,5 ГГц.

12

16

20

22

24

26 Ґ, ГГц

Рис. 8. Частотные зависимости коэффициента усиления ТЕМ-рупора (а) и антенны Вивальди (б) в направлениях азимута/угла места 00/00, 00/30, 00/60, 30/00, 60/00 градусов в диапазоне 12 - 26.5 ГГц

1. Ашихмин А.В., Козьмин В.А., Негробов А.В., Пастернак Ю.Г., Рембовский Ю.А. Анализ современного состояния и перспективы развития теории и техники антенн, используемых в комплексах радиомониторинга и радиопеленгации // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2009. Т 5. № 9. С. 93-102.

2. Ашихмин Александр Владимирович. Исследование и разработка сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля: дис. д-ра техн. наук: 05.12.07 Москва, 2006 627 с. РГБ ОД, 71:07-5/8

3. Weiland T. A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields / Electronics and Communication, 1977. - V. 31. PP. 116-120.

4. Негробов А.В., Попов И.В., Рембовский Ю.А Исследование сверхкоротких импульсов, излученных сверх-широкополосными антеннами / Антенны. 2009. № 3(142). С. 46-51.

Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва Научное конструкторско-технологическое бюро ОАО «Феррит», г. Воронеж

DISTORTIONS OF SUPERSHORT PULSES AT THEIR RADIATION BY ANTENNAS WITH QUASI-NEEDLELIKE DIRECTIONAL DIAGRAM A.V. Ashihmin, Yu.E. Kalinin, V.V. Negrobov, Yu.G. Pasternak

The opportunity of circular direction finding antenna arrays' application, which are constructed of symmetric TEM-hornes and Vivaldi elements for supershot pulses' radiation is considered. Sizes of the generated pulses' distortions are determined depending on a direction of their radiation

Key words: TEM-horn, Vivaldi antenna, supershort pulse, direction of radiation