CC BY
42
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК621.396.67
ХАРАКТЕРИСТИКИ Н-СЕКТОРИ АЛЬНОГО РУПОРНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С КРИВОЛИНЕЙНОЙ ФОРМОЙ ОБРАЗУЮЩИХ
ЛЕПИХЯ.И., КАРПЕНКО А. А., СНЕГУРКА.
Приводятся результаты экспериментальных исследований коэффициента отражения и диаграммы направленности Н-секториального рупорного излучателя с криволинейными образующими комбинированной формы, работающего в режиме излучения основной моды волны Ню рабочего диапазона питающего волновода. Рупорный излучатель изготовлен по данным расчета методами преобразования Фурье и Ритца. Сопоставляются расчетные и экспериментальные данные.
Введение
Повышение плотности передаваемойинформациипо каналам радиосвязи требует улучшения характеристик антенных систем, в том числе рупорных излучателей (РИ). К числу основных характеристик РИ относятся коэффициент отражения Г энергии СВЧ обратно в питающий волновод и коэффициент преобразования (КП) энергии основной моды волны в моды волн высших типов. КП определяет ширину и форму диаграммы направленности (ДН) и ее боковых лепестков. Г определяет КПД РИ и характер режима распространения электромагнитных волн в СВЧ линии от передатчика к антенне.
На практике для устойчивой работы передатчика с максимальной отдачей мощности в антенну необходимо обеспечить режим бегу щей волны в антеннофидерном тракте [1]. В связи с этим возникает необходимость в уменьшении Г во всех составляющих тракта, в том числе и РИ. Вместе с тем, для равномерного облучения параболического зеркала антенны в приемо-передающих системах СВЧ связи необходимо, чтобы ДН РИ имела минимальное количество боковых лепестков. Это достигается уменьшением КП и выравниванием фазового фронта в раскрыве РИ [21.
Одновременное выполнение указанных требований представляет собой труднореализуемую задачу, решение которой возможно путем минимизации Г методом преобразования Фурье [2] и минимизации КП методом Ритца [3].
РИ, 2009, № 3
В целях минимизации Г и КП в данной работе исследовался РИ с криволинейной формой образующих. При этом решались задачи расчета характеристик КРИ, изготовления экспериментального образца, измерения характеристик и сопоставления результатов измерений с теоретическими, а также с результатами измерений РИ с прямолинейными образующими, работающего на той же частоте и имеющего такой же размер выходного отверстия, как и у КРИ.
На основании указанных методов [2,3] и дальнейшего "сшивания” частных решений [1] произведен расчет РИ Н-секториального типа, у которого расширяется определенным способом только одна образующая, лежащая в горизонтальной плоскости. В качестве критериев расчета были теоретически заданы требуемые значения Г и КП моделируемого РИ.
1. Экспериментальные исследования
Нарис. 1 представлен экспериментальный образец Н-секториального рупорного излучателя с криволинейной формой образующих, работающего в режиме излучения основной моды волны Ню- Он изготовлен по расчетным методами Фурье и Ритца данным из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 с сечениями горловины и раскрыва 22x10 мм и 106x10 мм соответственно. Геометрическая длина излучателя L = 374 мм.
Рис. 1. Рупорный излучатель Н-секториального типа с комбинированной формой образующей
Экспериментальные исследов ания характеристик КРИ состояли в определении коэффициента стоячей волны (Ксв) и диаграммы направленности (ДН) в горизонтальной плоскости. Исследования проводились на основной рабочей частоте КРИ, соответствующей длине волны \=3.2 см.
Аналогичные измерения были проведены на той же длине волны для Н-секториального РИ с прямолинейными образующими, идентичного по размерам с КРИ.
Измерения проводились по стандартной методике, а именно с помощью волноводной измерительной линии и лабораторного комплекса для измерения диаграммы направленности.
Блок-схема экспериментального стенда для измерения коэффициента стоячей волны - Ксв представлена на рис. 2.
25
4>Є{
2 -е-
3 —
Рис. 2. Структурная схема измерения Ксв КРИ: 1 -генератор СВЧ Г4-18А; 2 - измерительная волноводная линия Pl-28; 3 - блок питания; 4 - КРИ
Измерялись следующие параметры:
- коэффициент стоячей волны напряженности электрического поля (Ксв) в волноводе, питающем РИ;
- ДН РИ в горизонтальной плоскости.
Г рупорного излучателя рассчитывался по формуле:
Г
К -1
св
К +1'
СВ
(1)
Измерения проводились по следующей методике.
На выходе измерительной волноводной линии Р1 -2 8 с помощью винтов крепится РИ. На вход Р1-28 с генератора подается сигнал СВЧ с длиной волны Х=3.2 см.
Измеряется максимальное а и минимальное а показания милливольтметра, подключенного к диодной секции Р1 -28. Коэффициент стоячей волны напряжений вычисляется по формуле:
К
СВ
а,,ах
а ■
(2)
Затемрассчитывается коэффициент отражения рупорного излучателя по формуле (1).
Экспериментальные исследования ДН КРИ проводились на измерительном стенде в специализированном закрытом помещении размерами 5,5 х 7,5 м. Для уменьшения отражения поверхность стен помещения покрыта радиопоглощающим материалом. Измерительный стенд структурно показан на рис. 3.
КИШ-НЭК4 ((((ГМЕМЗ
Lg-i A Цд-І
Рис. 3. Структурная схема измерительного стенда для измерения ДН КРИ: 1 - индикаторный блок; 2 - приемный блок; 3 - регулируемый аттенюатор; 4 - приемный РИ; 5 - передающий (исследуемый) КРИ с поворотным устройством; 6 - генераторный блок; 7 -модуляционный блок; 8, 9 - блоки питания
Измерения проводились по следующей методике. Клистронный генератор СВЧ колебаний - 6 вместе с исследуемым РИ - 5 закрепляются на штативе азимутального поворотного устройства. На расстоянии не менее 3 метров (дальняя зона) помещается приемный РИ - 4 на одном уровне по высоте с РИ над поверхностью Земли таким образом, чтобы ось приемного РИ совпадала с осью передающего (исследуемого) КРИ. При этом шкала отсчета угла в горизонтальной плос-
кости обнуляется. С выхода приемного устройства -2 сигнал подается на милливольтметр индикаторного блока - 1. Изменяя угол в горизонтальной плоскости 0 КРИ поворотным у стройством с дискретностью в 1 градус производятся измерения напряжения U (мВ) на выходе приемника. Затем строится нормированная ДН по напряженности и по мощности поля. Графическим способом определяется ширина ДН на уровнях 0,707 и 0,5 по напряженности и мощности поля соответственно.
График ДН исследуемого КРИ, нормированной по напряженности электромагнитного поля, представлен на рис. 4 под номером 1. ДН РИ с прямолинейными образующими представлена на рис. 4 под номером 2. Измерения проводились в угловом секторе 0 от -90 до +90 градусов относительно геометрической оси КРИ.
8, град.
Рис. 4. ДН Н-секториального РИ по напряженности поля: 1- ДН КРИ; 2 - ДН РИ с прямолинейными образующими
2. Результаты исследований и их обсуждение
Измерения Ксв на длине волны /, = 3.2 см показали, что величина Ксв Н-секториального РИ с прямолинейными образующими имела значение 1,42, а Г = 0,17.
Ксв исследуемого КРИ находился в пределах 1,96; Г=0,32, что на 0,15 хуже, чем Г РИ с прямолинейными образующими.
Было сделано предположение, что причиной столь большого Ксв КРИ является резкий скачок кривой образующей в области точки сшивания (см.рис. 1) и как следствие - скачок волнового сопротивления во внутренней полости КРИ, вызывающий отражение электромагнитных волн СВЧ обратно в питающий волновод.
Методом интерполяции было проведено сглаживание области точки сшивания и изготовлен еще один образец КРИ со сглаженной областью стыковки двух разных форм огибающей.
Измерение Ксв сглаженного КРИ дало следующие результаты:
Ксв находился в пределах 1,32, что на 0,1 лучше, чем Ксв РИ с прямолинейными образующими. Рассчитанное значение Г сглаженного КРИ Г=0,14 оказалось на
26
РИ, 2009, № 3
0,03 единицы меньше, чем у РИ с прямолинейными образующими.
Измеренное значение Г КРИ, равное Г=0.14. оказалось лучше, чем у РИ с прямолинейными образующими, но в 2 раза хуже, чем теоретически заданное (ГтеОр=0,07) [1], что говорит о необходимости реализации конструкции КРИ с более плавным переходом при сшивании двух криволинейных образующих РИ, либо усовершенствования метода компьютерного моделирования.
Ширина ДН КРИ на уровне 0,707 по напряженности
электромагнитного поля составила 20КРИ 8’8 ’ что почти в 2 раза меньше, чем ширина ДН РИ с
прямолинейными образующими - 20 =14 . ДН
РИ
сглаженного КРИ ничем не отличалась от ДИ несглаженного КРИ.
3. Выводы
Исследования КРИ показали возможность достижения одновременного улучшения Г и КП по сравнению с идентичным прямолинейным РИ при прочих равных условиях. Из этого следует, что изменение формы образующей дает возможность гибкого управления характеристиками КРИ за счет изменения структуры электромагнитного поля. Одновременное уменьшение Г и КП в КРИ может быть достигну то комбинированием нескольких криволинейных форм образующих на разных участках КРИ, что позволяет значительно уменьшить габаритные размеры КРИ без ухудшения его характеристик. Обнаруженное некоторое расхождение между ожидаемым и измеренным Г требует, по-видимому, более точного изготовления образцов в области сшивания КРИ.
Исследуемый класс криволинейных рупоров может быть использован в бортовых антенных комплексах на судах, а также в авиации и космонавтике.
Решение задачи одновременной минимизации Г и КП РИ путем изменения формы их образующих является новым научным результатом.
Практическая значимость результатов исследования заключается в перспективе создания компактных широкополосных облучателей зеркальных параболических антенн с управляемой диаграммой направленности и высоким КПД.
Литература: 1. Карпенко . L-L Лепих Я.И. Излучатель электромагнитных волн с комбинированной формой образующих // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, №7. С. 818-824. 2. Shumljanskyl. I. Нот radiation with curve formers. U.R. S.I. International symposium on Electromagnetic Theory. Budapest, August 1986. 721 p. 3. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Изд-во АН СССР,1961.216 с.
Поступила в редколлегию 24.08.2009
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Кошевой В.М.
Лепих Ярослав Ильич, д-р физ.-мат. наук, профессор, директор Межведомственного научно-учебного физико-технического центра Одесского национального университета им. И.И. Мечникова. Адрес: Украина, 65082, Одесса,ул. Дворянская, 2,тел: +38(048) 723-34-61, 726-6356 факс: +38(048) 723-34-61, e-mail: ndl_lepikh@onu.edu.ua
Карпенко Андрей Александрович, магистр, н.с. Одесского национального университета им. И.И. Мечникова. Научные интересы: радиотехника.Адрес: Украина, 65082, Одесса, ул. Дворянская, 2, тел: +38(048) 726-63-56, e-mail: Karpenko_ A A(2),ma il.ru
Снегур Павел Алексеевич, с.н.с. Одесского национального университета им. И.И. Мечникова. Научные интересы: акустоэлектроника. Адрес: Украина, 65082, Одесса, ул. Дворянская, 2, тел: +38(048) 726-63-56
РИ, 2009, № 3
27
