Двухдиапазонная антенна на кольцевых резонаторах бегущей волны Текст научной статьи по специальности «Физика»

определяется сравнением диаграмм направленности реальной антенны и ее непрерывного аналога в интересующем нас диапазоне углов.

В статье описан новый вариант интегральной фазированной антенной решетки - щелевая ИФАР. Данная антенна является дуальным аналогом предложенной ранее сотрудниками кафедры радиофизики СПбГПУ дипольной ИФАР.

В щелевой ИФАР, в отличие от дипольной, используется закрытый феррит-диэлектрический волновод, что дает данной антенне некоторые преимущества. На базе непрерывной модели найдены основные параметры антенны: коэффициент усиления, КПД, диаграмма направленности. Показано, что для практически интересных случаев непрерывная модель данной антенны дает точные результаты

список литературы

1. Zaitsev, E.F. MM-wave Integrated Phased Arrays with Ferrite Control [Текст] /E.F. Zaitsev, Yu.P. Yavon, Yu.A. Komarov // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -March, 1994. -Vol. 42. -№ 3. -P. 1362-1368.

2. Зайцев, Э.Ф. Новые электрически сканирующие антенны миллиметрового диапазона волн [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов, А.С. Черепанов // Изв. вузов России. Сер. Радиоэлектроника. -2003. -№ 4. -С. 3-12.

3. Зайцев, Э.Ф. Анализ антенн с последовательным возбуждением раскрыва и электрическим сканированием на основе управляемых магнитогиротроп-ных структур [Текст] / Э.Ф. Зайцев, А.Н. Федотов, Ю.П. Явон // Деп в ВИНИТИ, №1120-В88.

4. Черепанов, А.С. Элементарная теория интегральных фазированных антенных решеток [Текст] / А.С. Черепанов, Э.Ф. Зайцев, А.Б. Гуськов. -СПб.: СПбГТУ, 1999 // Деп. в ВИНИТИ, №3849-В99.

УДК 621.372

Д.В. Дикий, А.С. Черепанов, В.К.Нужин

двухдиапазонная антенна на кольцевых резонаторах

бегущей волны

В ряде случаев на СВЧ удобно использовать кольцевую антенну бегущей волны [1-4]. Это объясняется повышенным интересом многих областей радиотехники (радиолокации, радиотелеметрии, радиоуправления, космической радиосвязи и др.) к антеннам с эллиптической или вращающейся поляризацией.

Если в проводящем кольце (резонаторе бегущей волны - РБВ), длина которого кратна длине

шХ

волны Х (диаметр Б =-, где ш = 1, 2, 3, ...),

п

возбудить ток, меняющийся по закону бегущей волны с неизменной амплитудой 10, т. е. определяемый уравнением 1 = 10е-к5, где 10 - ток в начальной точке на кольце, имеющей координаты х = Я, у = 0, г = 0; 5 — длина дуги от начальной

2п

точки до элемента М; 5 = Я<р'; к =— (рис. 1),

Х

то создаваемое электрическое поле будет иметь две составляющие: меридиональную Е9 и азимутальную Еф. Причем обе составляющие сдвинуты

относительно друг друга по фазе на 90 °. Следовательно, получаем поле вращающейся (эллиптической) поляризации.

При этом в плоскости кольца (9 = 90 °) меридиональная составляющая поля Е9 обращается в нуль и остается лишь азимутальная составляющая Еф, т. е. получается линейно поляризованное поле. Под острым углом к оси кольца поле имеет эллиптическую поляризацию. Если по длине

2лЯ

кольца укладывается одна волна (ш =-= 1),

Х

вдоль оси кольца получается поле, поляризованное по кругу. При длине кольца, равной двум, трем и т. д. волнам (ш = 2, 3, ...), излучение вдоль оси кольца отсутствует.

Конструкция антенны на РБВ

Применение кольцевых элементов в качестве элементарных вибраторов обеспечивает ряд эксплуатационных и конструктивных преимуществ по сравнению с линейными вибраторами: наличие

Рис. 1. Кольцевой излучатель - резонатор бегущей волны

эллиптической поляризации при использовании минимального числа вибраторов, возможность реализации в микрополосковом исполнении.

Кольцевой резонатор бегущей волны представляет собой свернутую в кольцо длинную линию. Возбуждение резонатора осуществляется с помощью направленного ответвителя на связанных линиях (рис. 2).

Для идеального симметричного направленного ответвителя матрица рассеяния имеет следующий вид:

[^ ] =

0 512 513 0

5 12 0 0 513

0 0 512

0 513 5 12 0

ш^S12 = ш^ 5 +-.

(2)

Для нормированных волн, обозначенных на рис. 1, имеют место следующие соотношения:

а2 = Ь4е-(а+т)'', Ъ3 = ^ + 5,2 а4, Ъ1 = 512 а2 + 512 а3, Ъ4 = 513а2 + 512 а3, (3) Ъ2 = а1 + 513а4, а4 = Ъ2еАа-+т)1', где (а + ут) - постоянная распространения волны в кольце (т = —); I' - длина свободного X

участка кольца; X - длина волны.

При наличии согласованной нагрузки на выходе а3 = 0 , и из первых двух уравнений следует:

а2 = а2 513е-(а+^у.

Так как 813е-(а+м)1' * 0, то а2 = 0, и с учетом (3):

Ъ = а2 = Ъ 4 = 0.

Тогда

Ъ2 =

512а1

= 5 +

1 - 513е

5

-(а+]т)Г

-(а+]т)1'

1 - 513е-<а+м)1'

К

(4)

(5)

<1 НО 3>

¿3 Л

с/,

а,

Рис. 2. Схема питания кольцевого излучателя

Анализ уравнений (4), (5) показывает, что на частоте, определяемой из равенства

- arg S13 + ml' = 2nn, n - целое (6)

и при условии, что затухание в кольце подчиняется соотношению

e = ■

fef + S

(7)

в системе имеет место кольцевой резонанс. При этом амплитуда волны Ъ2 в кольце усилена по сравнению с ах и составляет

а1 512

ы=■

1 -

(8)

|S13 | + |S12 |

с малыми

Для ответвителя учетом унитарности матрицы S выполняется |S13| + |S121 = 1, и условие (7) переходит в равенство

1 - e~2al' = |S12|2. (9)

Тогда |b2| = Щ/|S12|, согласно (5) с учетом (2) b3 = 0, то есть вся мощность поглощается в кольце.

Если резонатор бегущей волны (РБВ) выполнить на открытой линии типа полосковой, то потери на излучение будут полезными, и таким образом получим антенну эллиптической поляризации.

В случае высокодобротного резонатора (аl' << 1, |S121« 11), когда |b21 « |aj , излучением из области петли связи можно пренебречь, и с учетом слабого затухания волны b2 по кольцу поляризация излученного в осевом направлении поля будет практически круговой. В случае слабой связи - arg S13 = ml" , где Г - длина участка

связи. Таким образом, в соответствии с (6) полная длина кольца I = V + Г на частоте резонанса составляет 2пп / т = пХ.

Интересующими параметрами облучателя на РБВ являются:

1) уровень мощности, прошедший из плеча 1 в плечо 3 НО, определяющий режекцию;

2) КПД, который в отсутствии омических потерь в элементах облучателя есть разность между падающей мощностью в плечо 1, отраженной от плеча 1 и прошедшей в плечо 3. Он совпадает с излученной облучателем мощностью, отнесенной к падающей.

Качественный вид АЧХ системы по КПД Р

П = —- (Р - излученная мощность) и по режек-Р

потерями с Р

потерями с ции У = показан на рис. 3 б, кривая 3. Как и

в любой резонансной системе, ширина резонансной кривой тем больше, чем больше потери в нем (в данном случае - это потери на излучение).

Расширение полосы требует увеличения затухания в кольце (что может быть достигнуто за счет увеличения ширины кольца и его высоты над экраном) и, соответственно, увеличения коэффициента связи 512 направленного ответвителя. То и другое влечет за собой ухудшение симметрии диаграммы направленности и ухудшает качество круговой поляризации. Поэтому хороших электродинамических (в частности, поляризационных) характеристик в такой конструкции излучающей структуры на РБВ удается достигнуть лишь при сравнительно узкой полосе частот.

Однако если несколько кольцевых РБВ связать каскадно направленными ответвителями (рис. 3 а), то в такой системе (как и в любой мно-горезонаторной) может быть получен эффект рас-

а)

б)

2

Рис. 3. Многорезонаторная система на РБВ (а) и примерный вид АЧХ по режекции у и КПД п (б)

ширения полосы пропускания и улучшение пря-моугольности АЧХ (рис. 3 б)

При этом в зависимости от величин коэффициентов связи 512 направленных ответвителей может быть реализована как многогорбая (кривая 1), например чебышевская, так и максимально плоская форма АЧХ (Баттерворта, кривая 2). Полоса режекции при достаточно жестко заданном допуске на ее качество оказывается большей, чем в случае однозвенного фильтра. Заметим, что излучающим является только верхнее кольцо, два других являются холостыми, не имеют потерь и не принимают участия в формировании поля излучения структуры.

Однако многорезонаторность как таковая не влияет на поле излучения конструкции. Для его улучшения (в основном качество поляризации) необходимо распределить связь излучающего кольца, причем таким образом, чтобы кольцо при этом оставалось излучающим.

Если две электродинамически не связанные линии соединить между собой несколькими слабо возмущающими поле в линиях элементами связи, размещенными с некоторым интервалом, то в некоторой полосе частот может возникнуть эффект направленной связи между линиями, даже при отсутствии направленности самих элементов связи, за счет интерференции падающих и отраженных волн. Наилучший эффект (в смысле широкопо-лосности) достигается при интервале между элементами связи в Направленность сов -нясяся

также и при другом интервале, важно лишь, чтобы он не был кратен половине длины волны.

Диаграмма направленности кольца (рис. 4) с бегущей волной тока постоянной амплитуды в дальней зоне имеет вид: , ni

H = [ Л-1 (n sin 9) - Jn+l (n sin 0)], 4r

, , ni ° (1°)

К | = -JL[ Jn-1 (n sin 0) + Jn+1 (n sin 0)] cos 0, 4r°

где I° - амплитуда тока; r° - расстояние из фазового центра в точку наблюдения; Jn l ,Jn+l -функции Бесселя соответствующих порядков; H0, Hф - сферические компоненты вектора магнитного поля.

Фазовый сдвиг между H0 и Нф при любых п

n и 0 составляет —. Анализ выражений (1°) показывает, что резонансное кольцо излучает в осевом направлении 0 = ° лишь при п = 1 (I = X).

Если кольцо расположено над плоским проводящим экраном больших размеров, то с учетом зеркального изображения для l = X диаграмма направленности будет выглядеть следующим образом:

, nI

Н0 Jn-,(n sin 0) -

2r„

k

- Jn+l(n sin 0)]sin I 2п — cos 0

V X

H <J = ^ Jn-1(n sin 0) + + Jn+1 (n sin 0)]cos 0 sin I 2п^ cos 0

(11)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ртах Рис. 4. Диаграмма направленности облучателя на РБВ по основной и кросс поляризациям

где Ь - высота излучающего кольца над экраном.

Рассчитанная диаграмма направленности антенны на РБВ по основной и кросс поляризациям при высоте кольца над экраном 0,01 X показана на рис. 4.

Конструктивные особенности двухдиапазонного облучателя на РБВ

Антенна на РБВ обладает тем полезным свойством, что позволяет совмещать антенны разных диапазонов, просто вставляя их друг в друга. В настоящей работе исследовалась двухдиапазон-ная антенна, предназначенная для использования в качестве облучателя радиотелескопа. Двухдиа-пазонный облучатель на РБВ представляет собой два облучателя на РБВ, вставленных один в другой на диапазон 3,5 и 13 см.

Средний диаметр излучающего кольца диапазона 3,5 см - 1,1 см, а для диапазона 13 см -4,1 см. При таких соотношениях диаметров колец проблем, связанных с совмещением двух облучателей, не возникает.

Необходимые полосы пропускания для диапазонов 3,5 и 13 см составляют 10 и 15 % соответственно. Такие полосы достигаются только в многорезонаторной конструкции при числе резонаторов не менее двух и при использовании четвертьволновой связи между резонаторами. В этом случае линейный размер облучателей составит около 3,5/4-2 = 2 см 13/4-2 = 8 см соответственно. При этом необходимо дополнительно учесть длину питающих кабелей, высоту излучающего кольца и обтекателя наиболее длинноволнового облучателя. Предварительно можно оценить вы-

Рис. 5. Фотография модели антенны

соту двухдиапазонного облучателя как 13-15 см. Максимальный диаметр составит 1,5-2 длины волны наиболее длинноволнового облучателя.

Проведены экспериментальные исследования макета антенны. Фотография исследуемой антенны приведена на рис. 5.

Измерение шумовой температуры антенны

Для измерения шумовой температуры применялась следующая методика. В качестве измерительного устройства использовался высокочувствительный приемник сантиметрового диапазона (конвертер), имеющий собственную шумовую температуру 17К. На выходе приемника с помощью измерительного прибора контролировалась интенсивность шумового сигнала. На вход приемного устройства первоначально помещалась эталонная антенна (гофрированный рупор).

Далее проводились следующие измерения:

1) калибровочное измерение эталонной антенны при комнатной температуре антенны (Т = 300 К) и при температуре жидкого азота (К = 77 К);

2) два измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо в зенит (Тнеба= 0 К, дополнительный шум за счет попадания излучения земли через боковые лепестки оценивался в 33 °К) и при ориентации антенны на землю (Т = 300 К);

3) эталонная антенна замещалась исследуемой и производились измерения интенсивности шума при ориентации антенны на небо и на землю.

По результатам данных измерений была получена оценка шумовой температуры исследуемой антенны, которая оказалась равной примерно 40 °К.

На рис. 6 приведены экспериментально снятые коэффициенты |531| (коэффициент передачи с входа 1 антенны на вход 3 - рис. 2) для обоих диапазонов. Малое значение |531| означает интенсивное излучение в пространство. Видно, что удалось получить эффективное излучение энергии в заданных диапазонах частот.

Антенны круговой поляризации, построенные на основе кольцевого резонатора бегущей волны, обладают целым рядом достоинств, таких, как

простота и изящность конструкции, компактность, высокое значение коэффициента усиления при малой высоте подвеса (низкосилуэтность);

возможность совмещения нескольких резона-

4

а)

$ дБ

-25

б)

2,1

2,2 2,3

Частота, ГГц

2,4

$ДБ

2,5

7,5 8 8,5 Частота, ГГц

Рис. 6. Режекция энергии в модели двухдиапазонной антенны в диапазоне 13,5 см (а) и 3,5 см (б)

торов в виде концентрических колец;

простое разделение полей право- и левовин-товой поляризации по двум независимым каналам, что весьма ценно, например, в радиоастрономической аппаратуре, где подобное разделение необходимо для определения магнитного поля источника.

Недостаток описанной выше конструкции антенны на РБВ - трудность реализации широкой полосы при сохранении хороших характеристик излучения. Некоторым ограничением конструкции на РБВ является также неравномерное экранирующее действие петли связи, что приводит к ухудшению характеристик излучения.

список литературы

1. Богод, В.М. Многоволновой облучатель на резонаторах бегущей волны с единым фазовым центром для применения в радиоастрономии [Текст] / В.М. Богод, В.Н. Дикий, Я.В. Корольков [и др.] // Изв. САО. -1980. -Т. 17. -С. 124-130

2. Дикий, Д.В. Способ возбуждения бегущей волны тока в кольцевой рамке [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 426-В2004.

3. Дикий, Д.В. Увеличение направленности об-

лучателя на резонаторах бегущей волны путем сегментирования излучающего элемента [Текст] / Д.В. Дикий. -СПб.: СПбГПУ, 2004. -Деп. в ВИНИТИ 11.03.2004. -№ 425-В2004.

4. Дикий, Д.В. Криостатируемый многочастотный облучатель на резонаторах бегущей волны [Текст] / Д.В. Дикий, В.К. Нужин, А.С.Черепанов // Всерос. радиоастрономическая конф. Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии. -СПб., 17-21 окт. 2011. -С. 74-75.

УДК 621.396.663

Г.С. Шарыгин, Д.В. Дубинин

оптимизация структуры кольцевой антенной решетки, используемой для определения углов прихода плоских электромагнитных волн фазовым методом

Определение углов прихода (пеленгование) - локационного наблюдения. В большинстве слу-одна из центральных задач при создании систем чаев задача пеленгования решается с помощью радионавигации, активного и пассивного радио- направленных антенн. Однако различные методы