CC BY
19
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА И СВЯЗЬ
В. П. КИСМЕРЕШКИН П. Д. АЛЕКСЕЕВ А. И. ЖАРИКОВ А. П. АЛЕКСЕЕВ
Омский государственный технический университет
УДК 621.396.677.012.12
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕИЗЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ ОТКРЫТОГО
РАДИОВОЛНОВОДА_
ПРЕДСТАВЛЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ВИБРАТОРА В КАЧЕСТВЕ ПЕРЕИЗЛУЧАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ВОЛНЫ ОТКРЫТОГО РАДИОВОЛНОВОДА. ПРЕДЛОЖЕН НОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ, ПЕРЕИЗЛУЧАЕМОЙ ЭЛЕМЕНТАМИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ОСНОВЕ ОТКРЫТОГО РАДИОВОЛНОВОДА.
Известно, что антенна поверхностных волн состоит из излучателя и замедляющей структуры, формирующей поверхностную волну, распространяющуюся вдоль структуры с фазовой скоростью уф<с. На практике используются различные типы замедляющих структур: гладкая стержневая или плоская, периодическая, апериодическая, геликоидальная и др.
Свойствами антенн поверхностных волн обладает открытый радиоволновод, в основе которого лежит одно-проводная линия: концентрация энергии электромагнитного поля около провода, формирование поверхностной волны с помощью сосредоточенных устройств возбуждения, возможность отбора энергии из волновода; что делает актуальным его применение в антенной технике СВЧ [1,2]. И поскольку внесение в поле поверхностной волны какой-либо неоднородности вызывает переизлучение энергии в окружающую среду, система не-однородностей, расположенных вдоль однопроводной линии передачи по определенному закону, будет представлять собой простейшую антенную решетку [3, 4].
В настоящей работе представлены результаты экспериментальных исследований, цель которых
показать возможность косвенного измерения мощности, переизлучаемой элементами антенной решетки на основе открытого радиоволновода.
В качестве элементарного переизлучателя электромагнитной энергии поверхностной волны открытого волновода был использован вибратор в виде металлического цилиндра, расположенного коаксиально вдоль провода открытого волновода (рис. 1). Переизлучатель содержит металлический цилиндр (вибратор) 1 и диэлектрическую вставку 2. В качестве провода открытого волновода 3 использовался биметаллический провод сталь-алюминий диаметром 4 мм, а роль переизлучателя
Рис. 1. Общий вид переизлучателя энергии поверхностной волны открытого волновода в виде цилиндрического вибратора.
играет отрезок коаксиального кабеля РК-150-7-11 длиной I. Группа подобных переизлучателей (П,-Пм), расположенных на расстоянии друг от друга, равном длине волны X, формирует элементарную эквидистантную антенную решетку (рис. 2). Для оптимального сложения сигналов от отдельных переизлучателей в дальней зоне требуется реализовать некоторое распределение поля вдоль апертуры антенной решетки. Другими словами, каждый элемент антенной решетки должен излучать в окружающую среду мощность, определяемую законом амплитудно-фазового распределения поля. Простейшим примером является равномерный закон распределения энергии поля.
При построении антенной решетки на основе открытого радиоволновода следует учитывать следующее обстоятельство: энергия поверхностной волны, передаваемая однопроводной линией передачи от устройства возбуждения УВ к нагрузке Ри (см. рис. 2), конвертируется в энергию, излучаемую каждым переиэлучателем. Следовательно, если к первому переизлучателю подводится мощность Р, то ко второму подводится мощность, равная
где Р1изл - мощность, отбираемая от поверхностной волны первым переизлучателем (величина отбираемой вибратором мощности определяется его коэффициентом связи с полем открытого волновода). Аналогично процесс может быть осуществлен для всех последующих М-переизлучателей. К каждому последующему переизлучателю будет подводиться мощность меньшая, чем к предыдущему. Однако для реализации равномерного распределения энергии поля вдоль апертуры антенной решетки, когда все элементы антенной решетки должны излучать одинаковую мощность, необходимо обеспечить различные коэффициенты связи с волноводом дЛя каждого переизлучателя. Коэффициент свяэ^ можно изменять, варьируя параметры вибратора (диаметр, 'структуру, длину). Наиболее простым и удобным способом является изменение длины I. переизлучателя.
Экспериментальное изучение зависимости эффективности переизлучения энергии поверхностной волны вибратором (коэффициента связи) проведено двумя путями. Первый путь заключается в том, что на провод открытого волновода устанавливается переиэлучатель П, на расстоянии с1 от него располагается приемная антенна А (рупорная антенна), и при изменении длины вибратора регистрируется мощность, принимаемая рупором (рис.3). Расстояние (1 определяется следующими условиями:
<1))г,рнс1>— , А
где с1 - расстояние между вибратором и вспомогательной антенной А, г,р - граничный радиус поверхностной волны, О - максимальный размер апертуры вспомогательной антенны.
Второй путь включает передачу сигнала от генератора С через открытый волновод на приемник Р (рис.4); при этом регистрируется изменение передаваемой мощности в зависимости от длины переизлучателя П.
Результаты экспериментальных измерений представлены в виде графиков на рис. 5.
Оба варианта дают близкие результаты. Следовательно, переизлучаемую вибратором мощность можно оценивать, не только регистрируя непосредственно мощность переизлучения, но и косвенно, измеряя потери передаваемой мощности открытым волноводом на вибратор. Таким образом, измеряя мощность, переиэлуча-емую каждым вибратором, можно оценить эффективность работы переизлучателей антенной решетки на основе открытого волновода.
УВ я*
Рис. 2. Общий вид антенной решетки на основе открытого волновода.
УА
Рис. 3. Общая схема экспериментальной установки для измерения амплитудного распределения поля вдоль апертуры антенной решетки (путь 1).
Рис. 4. Общая схема экспериментальной установки для измерения амплитудного распределения поля вдоль апертуры антенной решетки (путь 2).
Р/РМАХ I
0,5
О
О 0,1 0,2 0,3 0,4 иХ
- первый метод
— - - второй метод
Рис. 6. Зависимость эффективности переизлучения энергии поверхностной волны открытого волновода цилиндрическим вибратором от его длины.
Для проведения эксперимента была создана девят-надцатиэлементная антенная решетка на основе открытого волновода на частоте 2400 МГц.
Эксперимент проводился следующим образом: на провод открытого волновода устанавливался вибратор, затем изменялась его длина I до тех пор, пока он не отбирал из линии 5% подводимой к волноводу мощности (первый переизлучатель). Величина 5% определяется следующими требованиями: для получения равномерного распределения энергии поля необходима группа из N элементов антенной решетки, излучающих одинаковую мощность; последний М-й вибратор должен отбирать из линии максимально возможную долю мощности (примерно половину от подводимой к нему мощности), а остаточная мощность Р^ поглощаться нагрузкой; величина остаточной мощности задавалась при этом произвольно (в эксперименте принималась равной 5% от общей мощности Р, подводимой к линии). Тогда доля мощности 8, отбираемая каждым вибратором, определялась по формуле:
О
Таблица 1
N1 переиэлучателя Длина переизлучателя и
1 0.27Л
2 0.272Л
3 0.276Л
4 0,279л
5 0.28Л
6 0.284Л
7 0,289?.
8 0.292А.
9 0.295Л
10 0.298Л
11 0,ЗЛ
12 0.304Л
13 0.Э08Л
14 0,31 и
15 0.316Л
16 0.322Л
17 0.329Л
18 0.337Л
19 0.344Л
Таким образом, проведенные исследования показали реальность метода косвенного измерения мощности, переизлучаемой элементами антенной решетки на основе открытого радиоволновода, и открыли путь к его использованию на практике.
Литература
1. Кисмерешкин В.П., Алексеев П.Д., Алексеев А.П. Исследование системы возбуждения поверхностной волны // Омский научный вестник. 2002. №20. С. 131-133.
2. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Об использовании однопроводной линии передачи в антенной технике // Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи. Сборник трудов 3 Международной научно-технической конференции. Воронеж. 1997. Т.2. С. 290-300.
3. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Моделирование амплитудных распределений поля вибраторно-вол но водной решетки на основе однопроводной линии передачи // Приборы и техника эксперимента. 1998. №4. С. 92-93.
4. Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. Моделирование линейной антенной решетки на основе однопроводной линии передачи// Приборы и техника эксперимента. -1996. №5. - С.85-86.
Далее устанавливался второй вибратор и определялась его длина, при которой он отбирал 5% мощности, передаваемой открытым волноводом. Аналогичная операция последовательно проводилась для всех элементов.
Длины вибраторов, при которых отбираемые мощности равны, указаны в табл. 1.
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой КПРА. АЛЕКСЕЕВ Петр Демидович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой ТЭА. ЖАРИКОВ Алексей Иванович, соискатель. АЛЕКСЕЕВ Александр Петрович, аспирант кафедры КПРА.
А. Б. ГОРОЩЕНЯ А. И. ЕЛЕЦКИЙ
Омский государственный технический университет
УДК 621.396 . 67.01.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ
ВОЛНЫ, УДОБНОЕ
ДЛЯ АНАЛИЗА АНТЕНН_
ПОКАЗАНО, ЧТО НАРЯДУ С ИЗВЕСТНЫМ РАЗЛОЖЕНИЕМ СФЕРИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ НА НЕОДНОРОДНЫЕ ПЛОСКИЕ ВОЛНЫ, КАЖДАЯ ИЗ КОТОРЫХ УДОВЛЕТВОРЯЕТ УСЛОВИЮ ИЗЛУЧЕНИЯ. ДЛЯ ОТДЕЛЬНЫХ УГЛОВЫХ ОБЛАСТЕЙ ВОЗМОЖНО ИНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ, БОЛЕЕ УДОБНОЕ ДЛЯ ПОЛЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ. ПРЕДСТАВЛЕНЫ ПРИМЕР ТАКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕОРИИ ПЛОСКИХ СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН.
Представление сферической волны е**" (Л = (р! + г2 ) в виде интеграла Фурье-Бесселя:
ЛЯ «
ТяГР
,/Ш
(1)
где К - расстояние точки наблюдения до источника сферической волны, р,(р,г - цилиндрические координаты точки наблюдения, к - постоянная распространения плоских волн в соответствующей среде, (Лр), н,,1" (Лр) - функции Бесселя и Ханкеля.
И эквивалентное ему:
к 2±
(2)
где особые точки к обходятся контуром интегрирования соответственно сверху и снизу (рис.1) и выбрано значение функции л1хг-к2 »Я при Я ->+°о широко используется при решении граничных задач, связанных с Распространением волн и исследованием антенн [1].
При этом обычно аналитически продолжают подынтегральную функцию в комплексную плоскость Я дополняя контур интегрирования дугой бесконечного радиуса в верхней полуплоскости и проводя линии разреза из точек ветвления Л = ±к функции -у/я -к1 для выделения однозначной ветви.
Поскольку решения линейных граничных задач также представляют подобные интегралы, последнее дополнение позволяет использовать при их анализе методы функций комплексного переменного, например, получать удобные аналитические представления простой деформацией контура интегрирования.
Обычно, начиная с работы [2], разрезы проводятся вдоль линий Иел/Я2 - к2 (пунктирные линии на рис.1 для случая, когда .Лт к>0). Такой выбор разрезов удобен тем, что при нем формула (2) имеет место для любых значений риг. Физически это соответствует представлению сферической волны в виде суперпозиции неоднородных плоских волн, каждая из которых удовлетворяет условию излучения, то есть «убегает» от источника излучения и затухает, удаляясь от него .
