CC BY
164
УДК 621.З96
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МОДЕЛИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО КОНИЧЕСКОГО ТЕМ-РУПОРА С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛИНЗОЙ
А.В. Негробов, С.Н. Панычев, А.С. Самодуров
В статье предлагаются варианты использования конического ТЕМ-рупора с фокусирующей и рассеивающей диэлектрической линзой. Приведены экспериментальные зависимости коэффициента усиления и КСВН от частоты для варианта антенны с фокусирующей линзой
Ключевые слова: ТЕМ-рупор, диэлектрическая линза, эксперимент
В работе приведены результаты расчета перспективных широкополосных антенн СВЧ диапазона, которые легко возбудить с помощью стандартных коаксиальных разъемов (или полосковых линий). Описаны две модификации ТЕМ-рупоров (рупорных антенн без стенок, параллельных силовым линиям вектора электрической компоненты поля) - конической и пирамидальной формы [1]. Подобные конструкции ТЕМ-рупоров отличает постоянство значения волнового сопротивления вдоль их продольной оси (совпадающей с направлением излучения максимальной интенсивности).
Значения волнового сопротивления конического рупора часто выбирается равным 60 Р Ом (при равенстве угловой ширины щелей и полосков); волновое сопротивление пирамидального рупора, как правило, выбирается в пределах 90-200 Ом. Для запитки данных антенн можно использовать полосковые (или микрополосковые) согласующие и симметрирующие трансформаторы.
В их конструкции легко сочетать все три основных принципа построения частотно-независимых антенн: 1 - геометрия определяется в основном угловыми размерами; 2 - щелевая часть может быть равной по размерам полосковой; 3 - работает принцип автоматической отсечки токов вдоль полосков.
Например, специалистами фирмы ЕМСО [2] разработано несколько вариантов рупорных антенн СВЧ диапазона. На рис. 1 и 2 представлены модели антенн ЕМСО 3117 и ЕМСО 3116 и их характеристики, которые совместно перекрывают диапазон частот от 1 до 40 ГГц. Модель 3117 перекрывает диапазон 1-18 ГГц, модель 3116 - 18-40 ГГц соответственно. Антенны имеют следующие габариты: модель - 3117 10x17x15 см3, модель 3116 - 10x13x6 см3. Модель 3117 является гибридной модификацией антенны Вивальди и пирамидального ТЕМ-рупора, 3116 - пирамидальный волноводный рупор.
Негробов Александр Владимирович - ОАО НКТБ «Феррит», канд. техн. наук, e-mail: [email protected] Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (47З) 24З-76-65
Самодуров Александр Сергеевич - ВГТУ, канд. техн. наук, e-mail: [email protected]
Рис. 1. Модель 3117 и ее характеристики
Конструкция ТЕМ-рупоров может быть
упрощена, и габаритные размеры снижены за счет удаления согласующих и симметрирующих
трансформаторов, а использование продольной вариации величины волнового сопротивления может существенно улучшить степень их согласования с коаксиальной (или несимметричной полосковой) линией со стандартным волновым сопротивлением 50 Ом. Кроме того, один из полосков в точке запитки можно расширить и использовать его как «земляной», а другой - как «фазовый», что позволяет получить широкополосное антенное устройство, состоящее из двух тонких плоских пластин (которые конструктивно могут вытравливаться на односторонних тонких листах фольгированного диэлектрика) и стандартного разъема.
15 гв 25 30 3! 40
Р. ГГц
в)
Рис. 2. Модель 3116 и ее характеристики
Предлагаемая модель конического ТЕМ-рупора выполнена с габаритными размерами 12x12x12 см3 и диэлектрической линзой из
полистирола (е = 2.56) в раскрыве. Форма линзы рассчитывается по формулам в зависимости от материала линзы [3]. Предлагается также использование ТЕМ-рупора с обратной
диэлектрической линзой в качестве антенны с постоянным коэффициентом усиления в диапазоне частот более чем с 3 х кратным перекрытием. Внешний вид рупора приведен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид конического ТЕМ-рупора: а) - с фокусирующей линзой, б) - с обратной линзой
Предполагается, что рассеивающая
диэлектрическая линза обратная фокусирующей, искажает фазовый фронт таким образом, что коэффициент усиления рупора остается практически постоянным (с точностью до 1 дБ) в широком диапазоне частот. Обратная линза представляет собой остаток от цилиндра из диэлектрика, из которого вырезали фокусирующую линзу.
По результатам численного моделирования были получены следующие входные характеристики антенны, как с диэлектрической линзой, так и без нее. На рис. 4 приведены зависимости
коэффициента усиления от частоты в диапазоне 1 -20 ГГц. Моделирование антенны с обратной линзы было произведено только до частоты 20 ГГц, так как из рисунка хорошо видно, что на более высоких частотах усиление антенны нельзя считать постоянным.
Как видно из графика на рис. 4 влияние диэлектрической линзы начинает сказываться уже на частоте 5 ГГц, а на частоте 20 ГГц диэлектрическая линза дает выигрыш по усилению
порядка 10 дБ. При этом, в отличие от антенны без линзы, график рупора с линзой не имеет загиб вниз на частотах вблизи 20 ГГц. Необходимо так же отметить, что начиная с частоты 1 ГГц конический ТЕМ-рупор с диэлектрической линзой перекрывает по усилению, как модель 3117, так и модель 3116 фирмы ЕМСО. Модель же антенны с обратной линзой имеет практически постоянный (около 11 дБ) коэффициент усиления в полосе частот 5-15ГГц.
Р, ГГц
Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления от частоты для конического ТЕМ-рупора (сплошной линией - без диэлектрической линзы, пунктиром - с диэлектрической линзой, штрихом - с обратной линзой)
На рис. 5 приведены зависимости КСВН от частоты для конического ТЕМ-рупора в диапазоне 1-20 ГГц.
Рис. 5. Зависимость КСВН от частоты для
Р, ГГц
конического ТЕМ рупора (черной линией - с обратной линзой, серой - без линзы, пунктир - с линзой)
Как можно видеть, применение
диэлектрической линзы несколько ухудшает согласование антенны, особенно в области низких частот. Однако, даже с применением линзы конический рупор не проигрывает по согласованию антеннам фирмы ЕМСО, моделей 3117, 3116, на частотах от 1 ГГц, а на более высоких частотах значительно превосходит их. На частотах же около
20 ГГц предлагаемая модель имеет КСВН менее 1.6 для варианта без линзы и менее 1.5 для варианта с диэлектрической линзой. Модель с обратной линзой несколько лучше согласованна, чем модель антенны с фокусирующей линзой.
Частотные зависимости входного
сопротивления конического ТЕМ-рупора приведены на рис. 6 (под буквой а) - реальная часть, под буковой б) - мнимая). Можно видеть, что реальная часть входного сопротивления с ростом частоты тяготеет к величине 100 Ом, как для варианта рупора с линзой, так и без нее. Для варианта с диэлектрической линзой частотные зависимости входного сопротивления имеют несколько больший разброс, как для реальной, так и мнимой частей, что и подтверждается несколько худшим значением КСВН.
а)
Р, ГГц
б)
Р, ГГц
Рис. 6. Частотные зависимости входного сопротивления конического ТЕМ-рупора а) -активной части; б) - реактивной части (черной линией - с обратной линзой, серой - без линзы, пунктир - с линзой)
С ростом частоты мнимая часть входного сопротивления рупора без линзы имеет некоторое тяготение в индуктивную область, что несколько ухудшает потенциальные возможности
согласования на частотах выше 30 ГГц. Мнимая часть рупора с диэлектрической линзой напротив имеет некоторое тяготение к емкостной области с ростом частоты, что потенциально позволяет рассчитывать на лучшее согласование для частот
свыше 30 ГГц. Для модели с обратной линзой реальная и мнимая части входного сопротивления практически совпадают с соответствующими значениями для рупора без линзы Также проанализированы формы диаграммы
направленности рупора в зависимости от частоты. Диэлектрическая линза значительно стягивает главный лепесток диаграммы направленности рупора и способствует уменьшению боковых и заднего лепестков, с ростом частоты этот эффект усиливается.
Результаты экспериментальных измерений параметров макета антенны с линзой приведены на рис. 7, 8. На рис. 7 приведена штриховой линией экспериментальная зависимость коэффициента усиления от частоты в сравнении с расчетными для рупора с линзой (пунктир) и без линзы (сплошная линия).
рис. 5 прослеживается
всплесков на графике пропорциональность. Из-за
соответствие частот расчетным и их не точностей
Р, ГГц
Рис. 7. Экспериментальная зависимость усиления от частоты (штриховая линия) в сравнении с расчетной для рупора с линзой (пунктир) и без линзы (сплошная)
Результаты измерений ограниченны частотой 18 ГГц из-за возможностей измерительной аппаратуры. В целом прослеживается тенденция соответствия экспериментальных данных расчетным. Биения на экспериментальном графике можно объяснить, как условиями эксперимента (не открытое пространство, а обычная комната), так и неточностями изготовления линзы, лепестков рупора и трансформатора. На рис. 8 приведена экспериментальная зависимость КСВН от частоты, серым цветом для случая без калибровки измерительной аппаратуры, черным цветом - с калибровкой аппаратуры. В целом в сравнении с
технологического характера, в основном погрешность изготовления трансформатора,
экспериментальный КСВН не превышает 2.5, тогда как расчетный не превышает 2 в диапазоне от 1 до 8
1 2 3 4 5 6 7 8
Р, ГГц
ГГц.
Рис. 8. Экспериментальная зависимость КСВН для рупора с линзой
Относительно диэлектрической линзы можно сказать, что ее применение для конического ТЕМ-рупора вполне оправданно с точки зрения получения более узкого главного лепестка диаграммы направленности и значительного превосходства по усилению, особенно в области верхних частот рабочего диапазона, пусть и при некотором (неизбежном) рассогласовании системы. По сравнению с моделями 3117 и 3116 фирмы ЕМСО предлагаемая модель конического рупора обладает одним неоспоримым преимуществом - она одна перекрывает рабочие диапазоны моделей 3117 и 3116. По технологической сложности изготовления конический рупор уступает, возможно, лишь модели 3116, хотя последняя и не является чисто рупорной антенной.
Литература
1. Авдюшин А. С., Ашихмин А. В., Бегишев М. Р., Пастернак Ю. Г., Савельев А. М.; Моделирование и экспериментальное исследование модификации рупорной антенны с ТЕМ волной, Вестник Воронежского гос. техн. унив. Серия «Радиоэлектроника и системы связи», 2003, Вып. 4.3, С. 59-65.
2. http://www.emctest.com
3. Сазонов Д. М.; Антенны и устройства СВЧ, М.: Высшая школа, 1988. 432 с.
Открытое акционерное общество Научное конструкторско-технологическое бюро "Феррит", г. Воронеж Воронежский государственный технический университет
EXPERIMENTAL VERIFICATION OF THE MODEL CONICAL ULTRAWIDEBAND
TEM-HORN WITH DIELECTRIC LENS
A.V. Negrobov, S.N. Panychev, A.S. Samodurov
In the article proposes options for the use of a conical TEM horn with focusing and scattering dielectric lens. Gives the experimental dependence of the gain and VSWR versus frequency for an antenna with a variant of the focusing lens
Key words: TEM-horn, dielectric lens, experiment
