CC BY
20Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2021
Гофрированные конические рупорно-линзовые антенны для самолётного СВЧ-влагомера
Ю. В. Рыбаков, Д. В. Дроздов, О. А. Герасимов
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Главная геофизическая
обсерватория им. А. И. Воейкова»
194021 Санкт-Петербург, ул. Карбышева, д. 7
E-mail: olgrs@mail. ru
В работе представлены экспериментальные результаты по измерению характеристик гофрированных коническихрупорно-линзовых антенн, использованных в составе СВЧ-влагомера на борту самолёта-лаборатории Росгидромета ЯК-42. Исходя из требований ширины диаграммы направленности в 7 градусов и коэффициента рассеяния 1%, была выбрана конструкция антенны в виде гофрированного рупора и просветленной диэлектрической линзы с гиперболическим профилем. Изготовленные антенны были обмерены в безэховой камере в диапазонах 18—26 ГГц и 26—40 ГГц. Помимо традиционных характеристик антенн, таких как диаграмма в Е- и Н-плоскостях, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, КСВн, были получены оценки таких важных для СВЧ- радиометрии характеристик антенного датчика, как коэффициент рассеяния вне главного лепестка и коэффициент полезного действия, определяемый потерями в материале линзы. Ключевые слова: СВЧ, самолётный, антенны, гофрированные, рупорно-линзовые
Corrugated horn antennae with lens designed for airborne microwave radiometer
Yu. V. Rybakov, D. V. Drozdov, O. A. Gerasimov
Voeikov Main Geophysical Observatory
194021 St. Petersburg, st. Karbysheva, 7
E-mail: olgrs@mail. ru
The paper presents some experimental measurements of corrugated horns with lens results. Those are the antenna of microwave radiometer of Roshydromet Yak-42 flying laboratory. Considering 7 degree directional diagram and a 1% dissipation coefficient a hyperbolic profile corrugated horn antennae was suggested. Those antennae were measured through 18-26 GHz and 26-40 GHz, in an anechoic chamber. Along with the typical antannae characteristics as E- H-plane directional diagrams, directional coefficient, gain factor, VSWR, a very defining microwave characteristics, such as dissipation coefficient aside the main lobe and efficiency factor, defined by lens material composure, were measured.
Keywords: microwave, airborne, antenna, corrugated, horn, lens
В дистанционных СВЧ-влагомерах для определения интегрального влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков используются зенитные измерения в диапазоне резонанса водяного пара - около 22,235 ГГц - и в полосе прозрачности 30-37 ГГц [1]. В известной конструкции СВЧ-влагомера для малого самолёта [2] была реализована схема вынесенного за фюзеляж сканирующего зеркала. Для скоростного и высотного самолёта-лаборатории ЯК-42, однако, подобная схема непригодна, поэтому был выбран вариант установки СВЧ-влагомера внутри фюзеляжа, перед радиопрозрачным иллюминатором, под углом 60 градусов относительно зенита (рис. 1). Такое расположение увеличивает толщину зондируемого слоя атмосферы в 2 раза. Размеры апертур антенн, пригодные для самолётного (а в дальнейшем и наземного) варианта СВЧ-влагомера выбирались из габаритов иллюминатора и ограничений, связанных с
необходимостью зондирования в относительно небольшом телесном угле, при диаграмме направленности порядка 7 градусов [3]. Для минимизации влияния фона была выбрана конструкция антенного датчика в виде гофрированного металлического рупора и просветленной линзы из фторопласта. Гофрированные конические рупорно-линзовые антенны (ГКРЛА) подобных размеров используются в качестве самостоятельных антенн относительно редко, поэтому оказалось необходимым подробное экспериментальное исследование их характеристик, которое позволило бы оценить возможности и перспективы применения подобного типа антенн как в качестве датчиков СВЧ-влагомеров, так и в качестве измерительных антенн с улучшенными параметрами.
Рис. 1. Самолётный вариант СВЧ-влагомера на борту ЯК-42
Устройство ГКРЛА
Гофрированный рупор представляет собой излучатель, внутренняя поверхность которого является импедансной структурой, выполняемой чаще всего в виде гофра, глубина которого выбирается близкой к четверти длины волны. При этом в рупоре больших размеров возбуждается НЕп мода [4, 5], обладающая следующими характеристиками: поле существенно ослаблено на границах апертуры для вектора Е и поляризовано в одном направлении. Гофрированные рупоры с большим углом раскрыва, но с малой апертурой, являются в настоящее время основным типом облучателя зеркальных антенн. Наиболее полно их свойства рассмотрены в [6]. Вход рупора обычно соединяется с круглым волноводом, работающем на Нп моде, поэтому для согласования с импедансной (гофрированной) поверхностью, работающей на НЕ11 моде, между рупором и волноводом включается конвертор мод. Наиболее часто его выполняют в виде участка волновода или рупора с набором первых гофр переменной глубины [7]. Для расширяющейся части рупора рекомендуется выбирать глубину гофра несколько большую четверти длины волны [8]. Для получения синфазной апертуры относительно больших размеров (в нашем случае DA, = 11) необходимо иметь очень длинный рупор, что конструктивно неудобно, либо использовать комбинацию рупора с вырезкой из параболического зеркала, что конструктивно сложно и дорого в изготовлении. Можно также установить в раскрыве рупора линзу. В нашем случае предпочтение отдано третьему варианту. Вывод основных формул для одноповерхностных линз с освещенной преломляющей поверхностью можно найти в многочисленных источниках (например, [9]). Для устранения отражений от поверхности диэлектрика на поверхностях линзы нарезаются концентрические прорези
определенной глубины [10].
Методы исследования ГКРЛА
Разработанные и изготовленные образцы антенн (рис. 2) устанавливались на измерительном стенде в специальной безэховой камере «ООО НПП «ТРИМ»» [11], позволяющей производить измерение диаграммы направленности (ДН) до уровня -70 дБ почти в полном телесном угле. Измерения ДН возможны как с помощью восстановления ДН по измерению амплитудно-фазового распределения в ближней зоне, так и традиционным способом измерения ДН в дальней зоне на прием по излучению эталонного широкоугольного излучателя.
Рис. 2. Самолётные антенны СВЧ-влагомера для ЯК-42
ГКРЛА представляет собой синфазную апертуру, причём внутри рупора распространяется НЕ11 мода. Известно [4], что подобная синфазная апертура больших (в DA,) размеров для данной моды создает ДН вида Fl = Jo(u)/(1-(u/2.405)2). При этом предполагается нулевое облучение края апертуры. Установка линзы слегка изменяет амплитудное распределение, которым, как правило, пренебрегают. Из имеющихся стандартных аппроксимаций ДН полезными оказались ДН вида Л-функций, для которых коэффициент рассеяния (КР) вычисляется достаточно просто. В таблице 1 приведены величины теоретических значений для 4 видов ДН по уровням -3..-40 дБ, которые можно использовать для сравнения с экспериментально измеренными ДН в полосе.
Таблица 1. Теоретические значения обобщенной координаты и для 4 видов ДН
Ъ дБ Fl = Л1(и) F2 = Л2(и) Fз = Л3(и) F4 = Л4(и)
-3 2.07 1.99 2.31 2.59
-5 2.64 2.53 2.95 3.31
-10 3.60 3.36 4.03 4.57
-15 4.23 4.02 4.76 5.42
-20 4.67 4.42 5.29 6.06
-25 5.00 4.69 5.66 6.53
-30 5.19 4.87 5.92 6.89
-35 5.32 4.97 6.10 7.14
-40 5.40 5.04 6.36 7.31
Далее, зная значения ДН в полном телесном угле и в области главного лепестка, можно как теоретически, так и экспериментально определить величину коэффициента направленного действия (Д) и КР. Теоретические значения КР для трёх типов ДН составляют 0.87%, 0.79% и 0.34%. С помощью эталонных облучателей можно измерить величину коэффициента усиления (КУ), отношение которого к Д позволяет определить
КПД, связанный с потерями в материале линзы. Измеренный в полосе частот КСВн позволяет судить как о правильности выбора размеров трансформатора мод из ТЕ11 в НЕ11, так и о степени согласования гиперболической диэлектрической линзы.
Полученные результаты и их обсуждение
На рис. 3 показаны примеры совмещенных (Е и Н) ДН на частотах 19, 22 и 36 ГГц. В общей сложности через 0,5 ГГц было снято 34 диаграммы в диапазоне 18-26 ГГц и 26 диаграмм в диапазоне 26-40 ГГц. В таблице 2 приведены результаты обработки ДН для диапазона 18-26 ГГц, при которой определялись значения обобщенной координаты U = 3,14xD/X х sin © по уровням -3, -5, -10, -15, -20, -25, -30, -35 дБ. Верхнее значение в соответствует величине Шил, нижнее - величине иипл. Сравнение значений U в таблицах 1 и 2 показывает, что для данной антенны в диапазоне 19,5 - 22 ГГц экспериментальные диаграммы хорошо совпадают с формой ДН в виде Л-функции 3го порядка. На рис. 4 показаны вариации U реальных ДН в Е и Н плоскостях относительно Л-функции 3го порядка по уровням -3, -5, -10, -15 дБ.
-60.000 -40.000
Рис. 3. Примеры совмещённых (Е и Н) ДН на частотах: а) 19, б) 22 и в) 36 ГГц
Таблица 2. Экспериментальные значения обобщенной координаты U в диапазоне_
£ ГГц 18 18,5 19 19,5 20 20,5 21 21,5 22 22,5 23 23,5 24 24,5
Епл -3 дБ 2.25 2.14 2.15 2.29 2.19 2.20 2.35 2.38 2.39 2.55 2.51 2.41 2.36 2.31
Нпл 2.34 2.37 2.35 2.30 2.32 2.28 2.26 2.26 2.25 2.35 2.39 2.35 2.40 2.42
Епл -5 дБ 2.90 2.78 2.73 2.93 2.76 2.80 2.98 3.08 3.06 3.29 3.20 3.15 3.08 2.94
Нпл 2.95 3.08 3.04 2.93 2.95 2.88 2.93 2.94 2.89 3.02 3.05 3.05 3.15 3.11
Епл -10 дБ 3.88 3.79 3.76 3.97 3.77 3.86 4.16 4.25 4.24 4.61 4.49 4.43 4.42 4.21
Нпл 4.13 4.20 4.15 3.99 4.07 4.00 3.96 3.99 3.96 4.15 4.24 4.17 4.26 4.31
Епл -15 дБ 4.66 4.51 4.41 4.65 4.53 4.56 5.07 5.28 5.22 5.58 5.61 5.51 5.56 5.52
Нпл 5.02 5.09 4.99 4.76 4.85 4.70 4.76 4.75 4.8 5.03 5.18 5.16 5.24 5.35
Епл -20 дБ 5.22 5.04 4.99 5.18 5.12 5.17 5.80 6.14 6.05 6.58 6.60 6.71 6.86 7.03
Нпл 5.89 5.66 5.69 5.36 5.42 5.31 5.38 5.57 5.54 5.86 6.36 6.02 6.21 6.34
Епл -25 дБ 5.75 5.39 5.30 5.60 5.71 5.81 6.62 7.01 7.03 7.49 7.84 7.89 8.09 8.32
Нпл 6.21 6.42 5.94 5.96 5.94 6.06 7.61 7.87 7.19 7.34 7.66
-15 дБ, Е пл -15 дБ, Н пл -10 дБ, Е пл -10 дБ, Н пл -5 дБ, Е пл -5 дБ, Н пл -3 дБ, Е пл -3 дБ, Н пл
18 19 20 21 22 23 24 25 26 ГГц
Рис. 4. Вариации и по диапазону частот: а) -ЗдБ, б) -5дБ, в) -ЮдБ, г) -15дб
Измерение Д, Дш и КР проводится по объёмным диаграммам. В таблице 3 представлены результаты определения Д и Дгл, вычисленные по измеренным объемным ДН ближнего поля (рис. 5). В последнем случае за главный лепесток полагался участок ДН с уровнем поля выше -30 дБ. Отношение Д и Д гл дает долю мощности, содержащуюся в главном лепестке ДН, а разница с нормированной к единице мощностью - величину мощности, содержащуюся в боковых лепестках, т. е. КР. Малая величина КР в таблице 4 показана в процентах. В диапазоне частот 20-23,5 ГГц КР оказывается меньше 1%. На рис. 6 также показаны величины КР для Е и Н поляризаций, определенные по ДН, снятым в дальней зоне. Эти результаты также показывают наличие оптимального по КР диапазона 20-23,5 ГГц , но при этом можно отметить, что снизу ограничение определяется пиком КР в Е плоскости на 19,5 ГГц, сверху - пиком КР в Н плоскости на 24 ГГц.
Таблица 3. Результаты экспериментального определения Д, Дл и КР
£ ГГц 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5
Дгл., дБ 26.88 27.24 27.48 27.71 27.97 27.83 27.89 28.08 27.84 28.10 28.52 28.52 28.85
Д, ДБ 26.86 27.20 27.42 27.68 27.95 27.80 27.87 28.05 27.81 28.07 28.49 28.47 28.82
1-КР, дБ 0.025 0.036 0.063 0.027 0.027 0.028 0.023 0.027 0.023 0.029 0.032 0.047 0.029
1-КР 0.994 0.992 0.986 0.994 0.994 0.994 0.995 0.994 0.995 0.993 0.993 0.989 0.993
КР, % 0.58 0.82 1.43 0.62 0.63 0.64 0.53 0.62 0.52 0.66 0.74 1.08 0.67
Рис. 5. Измеренные экспериментально объёмные диаграммы
Полученные результаты показывают возможность получения аксиально симметричной диаграммы направленности в требуемом диапазоне с коэффициентом рассеяния меньшим 1% и высоким КПД.
Таблица 4. КР по измеренным диаграммам в Е и Н плоскостях
£ ГГц 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5
КР Епл. % 1.03 0.91 2.63 0.36 0.56 0.37 0.51 0.57 0.35 0.49 0.67 0.59 1.01
КР Нпл. % 0.51 0.99 0.81 0.67 0.54 0.95 0.91 0.84 0.90 1.08 1.04 3.30 0.82
КРср 0.72 0.95 1.46 0.49 0.55 0.59 0.68 0.69 0.56 0.73 0.83 1.40 0.91
КР, % 0,58 0,82 1,43 0,62 0,63 0,64 0,53 0,62 0,52 0,66 0,74 1,08 0,67
КР, Н пл КР, Е пл КР КР, сред 1
0-0-0-0 н. гвом.
_ / .
19
20
21
22
23
24-
25 26 ГГц
Рис. 6. Величины КР для Е и Н и среднегеометрическая величина.
Измерение КПД линзы по результатам определения характеристик. В таблице 5 представлены результаты определения КУ в том же диапазоне частот. Отношение КУ и Д из табл. 4 позволяет вычислить величину КПД, которая, в основном, определяется потерями в материале линзы. Видно, что в диапазоне частот 21-26 ГГц эта величина составляет 0,99. То есть потери в линзе не превышают 1%.
Таблица 5. определение КПД линзы
s 26.80 27.16 27.32 27.61 27.89 27.78 27.83 28.01 27.77 28.06 28.48 28.44 28.80
КПД ,дБ 0.053 0.036 0.093 0.072 0.060 0.023 0.034 0.040 0.047 0.012 0.007 0.026 0.014
КПД 0.988 0.992 0.979 0.984 0.986 0.995 0.992 0.991 0.989 0.997 0.999 0.994 0.997
1-КПД, % 1.22 0.82 2.12 1.65 1.36 0.53 0.78 0.91 1.09 0.28 0.15 0.60 0.31
Измерение согласования (КСВн) и определение влияния линзы. На рис. 7 показана величина КСВн в полосе частот при вставленной и вынутой линзе. Видно, что используя первые 5 гофр с плавным изменением глубины, можно добиться согласования по КСВн лучше 1,12 в полосе частот 19,7-23,5 ГГц. Установка линзы несколько поднимает всю кривую до уровня меньшего 1,17.
КСВН
\ -А С линзой
Без линзы
18 19 20 21 22 23 24
ГГц
Рис. 7. Измерение КСВн с вынутой и вставленной линзой
Похожие характеристики были получены и для синфазных апертур на основе гофрированной рупорно-параболической антенны, а также длинного гофрированного рупора с малой фазовой ошибкой. Такие антенны использовались в эксперименте Реликт-1 [12] для измерения очень малых температур галактического фона.
Заключение
В работе приведены экспериментальные результаты исследования антенны с расчетной величиной ширины ДН в 7 градусов и КР 1%. Показано, что выбор конструкции в виде гофрированного рупора и просветленной линзы позволяет решить поставленную задачу. Рассмотренная конструкция может быть полезна как в качестве датчика для СВЧ-радиометрии, так и в качестве эталонной антенны для метрологических измерений.
Для гофрированно-конической рупорно-линзовой антенны уточнена форма диаграммы направленности, которая ближе к Л-функции 3 порядка и отлична от характерной формы диаграммы синфазной апертуры, возбуждаемой НЕ11 модой.
Работа выполнялась по целевым программам Росгидромета и частично в процессе подготовки и защиты студенческих диссертаций.
Литература
1. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave Remote Sensing. Active and Passive. Vol.3. - 1986.
2. Fedor L.S., Jacobson M.D., Bedard, Jr. A.J., Westwater E.R., Hogg D.C., Nishiyama R.T. Dual-Channel Microwave Radiometer for Airborne Meteorological Applications. NOAA Technical Memorandum ERL WPL-157. Wave Propagation Laboratory, Boulder, Colorado, Dec., 1988
3. Guiraud F.O., Howard J., Hogg D.C. A Dual-Channel Microwave Radiometer for Measurement of Precipitable Water Vapor and Liguid ,1979, IEEE Trans. Geosci. Electron., GE-17 , p129-136
4. Dragone C. Attenuation and Radiation Characteristics of the HE11- Mode. IEEE Trans. on Microwave Theory and Technigues, V. MTT-28, 7, July, 1980, pp 704-710
5. Minnett H.C., MacA Thomas B., A method of synthesizing radiation patterns with axial symmetry. IEEE Trans. Ant. and Prop., V AP-14 ,pp 654-656 ,Sept.,1966
6. Clarricoats P.J.B., Olver A.D. Corrugated horn for microwave antennas. London, Peter Peregrines Lttd.,1984
7. James G.L. Analysis and design of TE11 to HE11 corrugated cylindrical waveguide mode converters. lEEE Trans. Microwave Theory Tech.,1981,V. MMT-30, 3, pp.278-285
8. Granet C., James G. L. Design of corrugated horns : A Primer. IEEE Ant. and Prop. Magazine, V. 47, 2 April, 2005, pp.76-84
9. Clarricoats P.J.B., Saha P.K. Radiation pattern of a lens-corrected conical scalar horn. Electron. Lett.,1969 ,23,pp 592-593
10. Morita T., Cohn S.B. Microwave lens matching by simulated guarter- wave transformers. IRE Trans.,1956,V.AP-4, p.33
11. https://trimcom.ru/main-page/about/
12. Струков И.А., Скулачев Д.П., Ткачев А.Н. Проектирование бортовых антенн с низким уровнем бокового излучения. Научная аппаратура для космических исследований. М., Наука, 1987, с. 94-104.
