CC BY
7Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 68
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 537.862; 621.396.677.33
Исследование рупорно-линзовой ТЕМ-антенны как элемента
кольцевой антенной решетки
Ефимова Н. А.
Московский технический университет связи и информатики, МТУСИ, ул. Авиамоторная, 8а,
Москва, 111024, Россия e-mail: e.natalie86@gmail.com
Аннотация
Проведено исследование согласования и характеристик излучения рупорно-линзовой ТЕМ-антенны в качестве элемента сверхширокополосной кольцевой антенной решетки. Теоретические результаты получены путем электродинамического моделирования на основе метода конечных элементов. Рассмотрены рупорные излучатели с различной геометрией линзы. Ключевые слова: кольцевые антенные решетки, сверхширокополосные антенные решетки, сверхширокополосные антенны, линзовые антенны, ТЕМ-рупоры.
Введение
В настоящее время сверхширокополосные (СШП) антенны используются в самых различных областях радиоэлектроники. Много исследований в сфере излучения СШП сигналов посвящено кольцевым антенным решеткам на основе различных СШП излучателей (напр. [1,2]).
Рис. 1. Примеры кольцевых антенных решеток
Кольцевые антенные решетки (рис. 1) представляют собой систему излучателей, размещенных вдоль колец. На практике применяют решетки в виде одного или нескольких колец. Благодаря круговой симметрии такие решетки могут использоваться для получения направленных (в плоскости решетки) диаграмм, мало меняющихся при сканировании в пределах 360°. В качестве элементов кольцевых антенных решеток могут быть использованы различные типы СШП антенн. Традиционно используемые в радиопеленгаторных комплексах логопериодические вибраторные антенны нельзя размещать в антенной решетке ближе, чем на расстоянии, равном половине длины волны нижней частоты согласования - в противном случае качество их согласования с питающей линией и направленные свойства резко ухудшаются. Кроме того, они обладают слабой направленностью в Е-плоскости. ТЕМ-рупор как элемент кольцевой антенной решетки обладает высокой направленностью. Однако КИП ТЕМ-рупоров, особенно в верхней части частотного диапазона - недостаточно высок.
Основными геометрическими параметрами рупора являются его длина и два угла: а, определяющий угловой размер пластин и в - угол между пластинами (см. рис. 2). Один из недостатков ТЕМ-рупоров, согласованных с 50-омной коаксиальной линией - большая разница между этими углами, что ведет к неэффективному использованию пространства в кольцевых решетках на основе ТЕМ-рупоров.
Рис. 2. Геометрия ТЕМ-рупора В работе [3] предложен ТЕМ-рупор, пространство между пластинами которого заполнено диэлектриком с выходной поверхностью в форме линзы (рис. 3). Следует отметить, что использование линз в качестве корректора фазы пирамидальных и круглых рупоров широко известно и такие антенны получили название рупорно-линзовых антенн [4]. Поэтому в дальнейшем исследованную антенну будем называть металлодиэлектрической рупорно-линзовой ТЕМ-антенной или кратко - МДРЛА.
На рис. 3 показаны сечения в Е-плоскости двух исследованных МДРЛА с симметричной (3 а) и несимметричной (3б) относительно пластин рупора фокусировкой. В последнем случае линза одновременно с фокусировкой обеспечивает поворот излучения на угол, равный половине угла р. Образующая первой линзы рассчитывалась из условия получения плоского фронта волны, который перпендикулярен плоскости симметрии линзы, а второй - одной из пластин, образующей рупор.
МДРЛА обладает высокой направленностью, стабильно высоким КИПом и, соответственно, узкой диаграммой направленности, в том числе, в Н-плоскости. При использовании МДРЛА в составе кольцевой антенной решетки это означает, что диаграммы направленности отдельных элементов будут пересекаться на недостаточно высоком уровне, что приводит к провалам к диаграмме направленности решетки.
Для расширения диаграммы направленности в Н-плоскости в данной работе предлагается использовать МДРЛА с цилиндрической, а не сферической, как в работе [3], линзой. В Е-плоскости диаграмма элемента решетки аналогична диаграмме МДРЛА [3], а в Н-плоскости линза не влияет на фокусировку излучения.
Теоретическое исследование МДРЛА проводилось на основе электродинамического моделирования методом конечных элементов. Результаты исследования зависимости коэффициента отражения МДРЛА от частоты представлены на рис. 4. Общая длина рупоров с линзой составляла 500 мм, ширина - 492 мм, высота - 175 мм - для антенны с несимметричной линзой, 466 мм и 112 мм, соответственно, - для антенны с симметричной линзой.
а)
б)
Рис. 3. Продольные сечения МДРЛА
Исследование отдельного излучателя
-10,0
-15,0
-20,0
-25,0
-30,0
-35,0 дБ
-40,0
Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения от частоты для антенны с симметричной линзой (красная линия), несимметричной линзой (синяя линия) Как видно из рисунка, наилучшее согласование обеспечивает антенна с несимметричной линзой, возбуждающаяся коаксиальной линией, ортогональной оси рупора. Нижняя граница согласования по уровню -10 дБ для этой модели равна 366 МГц (1.91 ка) Антенна с симметричной линзой согласуется хуже, несмотря на большую величину апертуры (нижняя граница составляет 453 МГЦ (2.37 ка). На рис. 5 представлена зависимость коэффициента усиления антенны от частоты, на рис. 6 - зависимость КИПа от частоты.
ГГц
дБ
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления антенны от частоты для антенны с симметричной линзой (красная линия), несимметричной линзой (синяя линия)
Как видно из рис. 5, коэффициент усиления МДРЛА монотонно растет с увеличением частоты. Для антенн с симметричной линзой на 10 ГГц он достигает 29,5 дБ. Для антенны с несимметричной линзой в той же точке он примерно равен 27 дБ.
Рис. 5 демонстрирует, что антенна с симметричной линзой обеспечивает максимальное усиление. Это подтверждает рис. 6, где видно, что наибольшей величиной КИПа обладает антенна с несимметричной линзой. На низких частотах КИП этой антенны немного больше 1, а после 3 ГГц устанавливается на уровне 0,8 и далее практически не меняется. Антенны с симметричной линзой демонстрируют КИП, примерно равный 0,7.
1 л
0
1
и,о
п
1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 5 £ 8 5 9 5 1
Рис. 6. Зависимость КИПа антенны от частоты для антенны с симметричной линзой (красная линия), несимметричной линзой (синяя линия)
На рис. 7 показаны диаграммы направленности МДРЛА с несимметричной линзой в Е-плоскости (7а) и в Н-плоскости (7б). Фиолетовая линия соответствует частоте/ = 3 ГГц, зеленая линия - / = 2 ГГц, красная линия - / = 1 ГГц, синяя - / = 0.6 ГГц. Как видно из рисунков, ширина главного лепестка диаграммы направленности в обеих плоскостях монотонно сужается с ростом частоты. При этом из-за большей разницы величины апертуры в Е-плоскости ширины главного лепестка в этой плоскости отличаются сильнее. Ширина диаграммы направленности в плоскости решетки по 3 дБ на 2 ГГц составляет 20°.
Рис. 7. Диаграммы направленности МДРЛА (а) Е-плоскость, (б) Н-плоскость
Исследование излучателя в составе кольцевой решетки на основе ТЕМ-рупоров
В данной работе рассматривалась однокольцевая решетка (рис. 8). В качестве элемента кольцевой решетки была выбрана исследованная нами выше МДРЛА с несимметричной относительно пластин рупора фокусировкой.
Рис. 8. Геометрия кольцевой решетки на основе ТЕМ-рупоров
Количество элементов решетки было выбрано равным трем, так как данная модель -наиболее простая с точки зрения компьютерного моделирования. Расстояние между элементами
было составило 10 мм, что почти на три порядка меньше длины волны на нижней границе полосы.
На рис. 9 можно видеть коэффициент отражения МДРЛА в составе кольцевой антенной решетки в зависимости от частоты. Горизонтальная линия соответствует уровню -10 дБ. Как видно из рисунка, нижняя граница согласования элемента решетки составила 0,34 ГГц (1.78 ка), что несколько ниже, чем аналогичная характеристика у МДРЛА, взятой как отдельный излучатель. Улучшение согласования, по всей видимости, связано с увеличением размера экрана на фоне малого взаимного влияния элементов решетки.
ГГц
Рис. 9. Коэффициент отражения элемента кольцевой решетки на основе ТЕМ-рупоров в зависимости от частоты
На рис. 10 показаны диаграммы направленности МДРЛА в составе кольцевой антенной решетки в Е-плоскости (10а) и в Н-плоскости (10б). Фиолетовая линия соответствует частоте / = 3 ГГц, зеленая линия - / = 2 ГГц, красная линия - / = 1 ГГц, синяя - / = 0.6 ГГц. Как видно из рисунка, диаграмма элемента сохраняет свои характеристики направленности, что подтверждает
малое влияние одних элементов на другие и доказывает эффективность использования МДРЛА в качестве элемента кольцевой решетки. Ширина диаграммы направленности по 3 дБ элемента в составе решетки незначительно увеличивается по сравнению с ДН отдельного излучателя.
а) б)
Рис. 10. Диаграммы направленности МДРЛА в составе кольцевой антенной решетки
(а) Е-плоскость, (б) Н-плоскость
Заключение
Проведенные исследования МДРЛА с цилиндрической линзой показали перспективность ее использования в качестве элемента сверхширокополосной кольцевой антенной решетки. Исследование кольцевой решетки на основе МДРЛА показали малое влияние взаимодействия между элементами на характеристики согласования и излучения антенной решетки.
Автор выражает благодарность Калошину В.А. за постановку задачи и полезные замечания, сделанные в процессе работы над статьей.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №12-07-00717-а).
Литература
1. Ашихмин А.В. Проектирование и оптимизация сверхширокополосных антенных устройств и систем для аппаратуры радиоконтроля. М.: «Радио и Связь» - 2005 г.
2. Franek O., Frolund Pedersen G. Spherical Horn Array for Wideband Propagation Measurements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 59, Is. 7, 2011 , pp. 2654 -2660
3. Ефимова Н.А., Калошин В.А., Скородумова Е.А. Исследование рупорно-линзовой ТЕМ-антенны // РЭ, 2012, том 57, № 9, 1020-1027.
4. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ. Т.1 М.: Связь -
1977 г.
