Энергетические характеристики многоэлементных резонаторно-щелевых излучателей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В таблице приведены значения центральных частот (курсивом) и их среднеквадратических отклонений оценок ОАР спектра сигнала в зависимости от длины реализации смеси и ОСШ. Данные получены усреднением значений центральной частоты по 100 реализациям.

N. N ocm\ 1000 500 300 200

0 дБ 0,63 1,16 2,16 2,6

19,96 19,81 19,68 19,74

- 3 дБ 2,23 6,93 9,09 10,61

19,93 19,9 19,16 19,47

- 6 дБ 14,08 16,09 — —

21,31 24,0

7. Заключение

Предложенный в статье метод оценки спектра негауссова сигнала при наличии некоррелированного гауссова шума с малым отношением сигнал/ шум основан на использовании различий их куму-лянтных функций четвертого порядка. Методом статистического моделирования показано, что параметрические оценки спектров высших порядков улучшают точность спектральной оценки негауссова сигнала при наличии аддитивного белого шума. Таким образом, доказано, что использование более полной информации о негауссовом процессе, содержащейся в кумулянтных функциях, позволяет успешно решать задачи, которые невозможно решать в рамках корреляционной теории.

Практическая ценность работы заключается в повышении точности спектрального анализа зашумленных негауссовых процессов. Научная новизна состоит в создании метода параметрической оценки спектра на основе кумулянтной модели авторегрессии третьего ранга. В отличие от других работ для уменьшения влияния шумов на точность спектральных оценок предложено использовать спектры высших порядков. Такие спектры менее чувстви-

УДК 621.372.832

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ

МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ

РЕЗОНАТОРНО-ЩЕЛЕВЫХ

ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

КАТРИЧ В А._____________________

Методом наведенных магнитодвижущих сил решается задача о распределении магнитных токов в резонаторно-щелевой структуре: “щели связи в стенке бесконечного прямоугольного волновода - прямоугольный объемный резонатор - излучающая щель в бесконечном экране”. Выполняются численные расчеты и приводятся графики энергетических характеристик таких систем.

тельны к гауссовым помехам. Применяя описанный в статье метод, можно также находить оценки спектра негауссова сигнала на фоне более широкого класса помех с различными распределениями.

Литература: 1. Марпл - мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с. 2. Куреши Ш.У.Х. Адаптивная коррекция // ТИИЭР, 1985. Т. 73, №9. С. 5-49. 3. Haykin S. Radar signal processing / / IEEE ASSP Magazine 1985. Vol. 2. P. 2-18. 4. Коротаев Г.А. Эффективный алгоритм кодирования речевого сигнала на скорости 4,8 кбит/с и ниже // Зарубежная радиоэлектроника, 1996. №3. С. 57-68. 5. Кунченко Ю.П. Нелинейная оценка параметров негауссовских радиотехнических сигналов. К.: Выща школа, 1987. 191с. 6. Валеев В.Г., Данилов В.А. Оптимальное обнаружение сигналов на фоне негауссовских коррелированных радиопомех // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1991. №7. С. 30-34. 7. Малахов А.Н. Кумулянтный анализ случайных негауссовых процессов и их преобразований. М.: Сов. радио, 1978. 376 с. 8. Тихонов В.А. Обобщенная модель авторегрессии негауссовых процессов // Радиотехника. 2003. № 132. С.78-82. 9. Журбенко И.Г. Анализ стационарных и однородных случайных систем. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. 240 с. 10. Бриллинд-жер Д.Р. Временные ряды. Обработка данных и теория. М.: Мир, 1980. 536 с. 11. Шелухин О.И., Беляев И.В. Негауссовские процессы. СПб.: Политехника, 1992. 312 с. 12. Тихонов В.А., Русановский Д.Е., Тихонов Д.В. Еенерация узкополосных имитационных случайных процессов // Радиоэлектроника и информатика. 1999. №4. С. 83-85.

Поступила в редколлегию 24.04.2004

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Лучанинов А.И.

Тихонов Вячеслав Анатольевич, канд. техн. наук, доцент кафедры РЭС ХНУРЭ. Научные интересы: теория линейного предсказания, негауссовы процессы, распознавание и кодирование речи, экономическая статистика. Адрес: Украина, 61736, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-15-87.

Нетребенко Константин Владимирович, аспирант кафедры РЭС ХНУРЭ. Научные интересы: распознавание и кодирование речи, негауссовы процессы, теория линейного предсказания. Адрес: Украина, 61736, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-15-87.

1. Введение

В настоящее время в технике СВЧ широко используются волноводно-щелевые излучатели в качестве элементов синфазных и сканирующих антенных решеток, облучателей остронаправленных зеркальных и линзовых антенн, а также устройств связи электродинамических объемов [1-4]. Одиночные щелевые излучатели характеризуются существенной широкополосностью, что в условиях, например, сложной электромагнитной обстановки может привести к нарушению работы радиоэлектронных систем (РЭС). В связи с этим задачи анализа, синтеза и управления диапазонными характеристиками щелевых антенн представляют несомненный интерес для практики, в частности, с точки зрения обеспечения электромагнитной совместимости различных компонентов РЭС.

14

РИ, 2004, № 4

Формирование требуемых частотно-энергетических характеристик щелевых излучателей и отверстий связи можно обеспечить, например, или размещением непосредственно в полости щели диэлектрических вставок [3], или применением комбинированных излучателей [5,6], или расположением в питающем волноводном канале проходных объемных резонаторов, являющихся, в свою очередь, пол осно-пропускающими и режекторными фильтрами [7,8]. Существуют также и другие конструктивные решения данной задачи, а именно: размещение между излучающей щелью и щелью (щелями) связи объемного резонатора [9], причем наличие двух близко расположенных щелей в стенке основного волновода дает возможность значительно повысить величину коэффициента связи в узкой полосе частот [10].

2. Постановка задачи

Рассматриваемая резонаторно-щелевая структура и принятые в задаче обозначения представлены на рис. 1. Три электродинамических объема с идеально проводящими стенками, представляющие собой соответственно бесконечный прямоугольный волновод сечением а х b (индекс “Wg”), прямоугольный резонатор с размерами aR х bR х H (индекс “R”) и полупространство над неограниченным экраном (индекс “Hs”), связаны между собой

прямолинейными щелями Si ,S2, S3 , прорезанными в бесконечно тонких общих стенках.

Уі і (h) ^r‘ /S3

0 , b, ® H И Tr

@ sf \ ' H10(jc,z) > ' b

) z

Рис. 1

Геометрические размеры всех щелей удовлетворяют следующим условиям:

dm

2Lm

<<1,

X

<<1,

d

m

m =1,2,3,

(1)

где 2Lm и dm — соответственно длина и ширина щелей; X — длина волны в свободном пространстве. В этом случае эквивалентные магнитные токи в щелях можно представить в виде (eSm — единичные орты, sm и £,m — локальные координаты, связанные со щелями, J0m — амплитуды токов):

Jm(sm) = esm J0mfm (Sm)Xm(^m),

(2)

при этом функции fm(sm) должны удовлетворять краевым условиям fm (+Lm) = 0, а функции

X m (£, m) — условиям на ребрах щелей и условиям Н°рмир°вки: JXm(Sm№m = 1.

^m

Цель работы — построить математическую модель и исследовать энергетические характеристики следующей излучающей структуры: система двух поперечных щелей в широкой стенке прямоугольного волновода — проходной объемный резонатор — щель, излучающая в полупространство над бесконечной идеально проводящей плоскостью.

3. Решение задачи

Выберем в качестве функциональных зависимостей fm(sm) от продольных координат магнитных токов в щелях функции, получающиеся в результате приближенного решения [11] интегрального уравнения для тока в одиночной поперечной щели, возбуждаемой волной типа Ню и связывающей два прямоугольных волновода (fi,2 (si,2)), и для тока в щели в бесконечном экране при падении на нее плоской электромагнитной волны, вектор Н которой параллелен вектору eS3 (f3 (S3)):

fi 2 (si 2) = (cosksi 2 cos - Li 2 - coskLi 2 cos - si 2),

a a

(3)

f3(s3) = (cosks3 - coskL3) .

Воспользовавшись граничными условиями непрерывности тангенциальных составляющих магнитного поля на поверхностях щелей и следуя методу наведенных магнитодвижущих сил для многощелевой структуры, получаем систему алгебраических уравнений относительно неизвестных амплитуд токов Jom :

Joi(Yng + YR) + Jo2(YWg

-yJ2)+J03Y13

ira

2k

Li

J fi(si)H0si (si)dsi .

-Li

< J02(Y2^g + Y2R2) + J0i(Y2^g + Y2\) + J03Y2R3 ІЮ L2

= -— 1 f2(s2)H0s2(s2)ds2,

_L2

J03(Y3R3 + Y3H3s) + J0iY3Ri + J02Y3R2 = 0.

(4)

Здесь

Y

Wg.R.Hs = 1 LJfm(sm)[^di + k2) x

2k -Lm dsi

x j fm(sm)GWg.R’Hs(sm,sm)dsm]ds

-L„

m (5)

- собственные проводимости щелей;

m

РИ, 2004, № 4

15

Y

Wg,R = _1_ 2k

J fm,n (sm,n) x

d2 2 Ln-m

x [(-Г- + k2) Jfn,m(sП,т) x

dsm n -l

m,n Xjn,m

x Gs (sm,n.sn,m)dsn,m]dsm,n

(6)

(H0- амплитуда, у = ^k2 -(n/a)2

2

S11 -

2ray

[JoiF(kLi) + eJo2F(kL2)]^z ,(7)

2iyz

abk

S19 = 1 + ^^i3[J01F(kL1) + eiyz0J02F(kL2)], (8)

abk

|SZ |2 = 1-іS11 | 2 -|S12 | 2

(9)

ІЮ

Здесь Jom = Jom/(-у Ho) — нормированные

2k2

амплитуды токов в щелях,

F(kLm) = 2 cos — Lm x

sinkLm cos —Lm-----coskLm sin — Lm

a ka a

1 - (л / ka)

2

. 2^Lm 2^Lm

sin- 1

- coskLT

(2n /ka)

4. Численные результаты

На рис. 2-5 представлены графики зависимостей коэффициента излучения | S2 |2 от длины волны при следующих параметрах: a=23 мм, b= 10 мм,

H = aR/2 , 2Lm = 14 мм, dm = hm = 1 мм.

— взаимные проводимости щелей; GWg,R,Hs — s -

компоненты квазиодномерных (| £,m -^m N dm /4) функций Грина для векторного потенциала соответствующих объемов; Ho§12(s12) — проекции поля сторонних источников на оси первой и второй щелей, k = 2п / X.

Решая систему (4) с учетом того, что для волны типа H1o в прямоугольном волноводе

Hos1(s1) = Ho cos(rcs! / a),

Hos2 = Ho exp(-iyzo)cos(^s2 / a)

24

26

28

Рис. 2

3o

32

Х,мм

постоянная

распространения, zo — расстояние между осями

щелей S1 и S2), находим токи в каждой из щелей и коэффициенты отражения и прохождения по полю S11 и S12 , а также коэффициент излучения по мощности | Ss |

Как видно из рис. 2, наличие в исследуемой структуре объемного резонатора с одной или двумя щелями связи позволяет сформировать различные частотно-энергетические характеристики всей системы в целом по сравнению с одиночной поперечной щелью (1 щель) в широкой стенке волновода. При определенном взаимном расположении щелей относительно друг друга | S2 |2 может достигать значения 0,9 в узкой полосе длин волн или значения 0,5 в относительно большой части диапазона основной волны волновода.

|S/

o.8

o.6

o.4

o.2

9мм Юмм aR=23 мм, Ьк=11.5мм

■ ^=18 мм, bR - aR=20мм, bR

bR

o.o

24

26

28

Рис. 3

3o

32 Х,мм

Учет толщины h металлических стенок, в которых прорезаны щели, можно произвести согласно работе [12] при выполнении условия (h/ Я) <<1:

de(h)=de 2d, (10)

где de — “эквивалентная” ширина щели.

16

Изменение поперечных размеров резонатора (aR,bR ) практически не влияет на положение максимума | S2 |2 (см. рис. 3), а перемещение излучающей щели S3 в пределах стенки резонатора приводит к изменению как максимальных (см. рис. 4), так и минимальных (см. рис. 5) значений | S2 |2

L

m.n

L

m.n

m.n

a

a

a

РИ, 2004, № 4

на определенной длине волны, зависящей от геометрических размеров щели и толщины стенок волновода и резонатора.

5. Заключение

Таким образом, в данной работе для решения связанных интегральных уравнений относительно магнитных токов в многоэлементной резонаторнощелевой структуре использованы новые базисные функции, адекватные реальному физическому процессу, что составляет научную новизну исследований.

Рассмотренные излучатели могут быть полезны как при разработке новых антенных приемо-передающих систем СВЧ, так и для модернизации существующих на основе имеющейся элементной базы путем незначительного изменения конструкции, чем определяется практическая значимость проведенных исследований.

Литература: 1. Schaik H.J. The performance of an iris-loaded planar phased array antenna of rectangular waveguides with external dielectric sheet // IEEE Trans. 1978. AP-26, № 3. P. 413-419. 2. Несимметричные крестообразные щелевые излучатели в торцах волноводов / Еоробец Н.Н., Жиронкина А.В., Здоров АТ., Яцук Л.П. // Сб.: Антенны. 1979. № 27. С. 159-166. 3. Яцук Л.П., Катрич В.А. Щелевые элементы связи с частичным диэлектрическим заполнением // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1979. Т. 22, № 2. С. 60-65. 4. Катрич

B. А., Нестеренко М.В. Электромагнитная связь прямоугольных волноводов через узкие щели в общих стенках // Радиотехника. 2002. Вып. 127. С. 77-84. 5. Бердник

C. Л., Катрич В.А., Лященко В.А. Энергетические и направленные характеристики комбинированных волноводно-щелевых излучателей // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. 2002. № 544. С. 3942. 6. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Бердник С.Л. Метод наведенных магнитодвижущих сил для системы продольных щелей в стенках волноводов // Вісн. Харків. нац. ун-ту. Радіофізика та електроніка. 2004. № 622. С. 95-101. 7. Chen T.S. Waveguide resonant-iris filters with very wide passband and stopbands // Int. J. Electronics. 1966. V. 21, № 5. P. 401-424. 8. Электродинамический синтез и анализ широкополосных волноводных фильтров на резонансных диафрагмах / Кириленко А.А., Рудь Л.А., Сенкевич С.Л., Ткаченко В.И.// Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1997. Т. 40, № 11. С. 55-62. 9. Катрич В.А., Нестеренко М.В. Метод наведенных магнитодвижущих сил для резонаторно-щелевых излучателей и отверстий связи // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2004. Т. 47, № 1. С. 12-20. 10. Катрич В.А., Нестеренко М.В., Бердник С.Л. Метод наведенных магнитодвижущих сил для системы поперечных щелей в широкой стенке прямоугольного волновода // Радиотехника. 2003. Вып. 131. С. 76-82. 11. КатричВ.А., Нестеренко М.В., Хижняк НА. Сравнительный анализ аналитических методов решения интегральных уравнений для магнитного тока в щелевых излучателях // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2002. № 12. С. 15-25. 12. Warne L.K. Eddy current power dissipation at sharp corners: closely spaced rectangular conductors // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 1995. Vol. 9, № 11-12. P. 1441-1458.

Поступила в редколлегию 09.12.2004

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Булгаков А.А.

Катрич Виктор Александрович, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры прикладной электродинамики радиофизического факультета Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина. Научные интересы: излучение и рассеяние электромагнитных волн щелевыми неоднородностями в прямоугольных и полосковых волноводах. Адрес: Украина, 61077, Харьков, пл. Свободы, 4, e-mail: [email protected]

РИ, 2004, № 4

17