CC BY
32
УДК 621.396.677
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ TEM-РУПОРА Л.Н. Коротков, А.С. Самодуров, Д.С. Погребной Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: исследовано влияние линзы Френеля на входные параметры рупорной антенны при установке различных вариантов линзы Френеля. Установлено, что использование линзы Френеля на раскрыве рупорной антенны в большинстве случаев приводит к улучшению ряда параметров, из которых наиболее важное значение имеют коэффициент стоячей волны по напряжению, коэффициент усиления, активное и реактивное входное сопротивление. В ходе численного эксперимента было выяснено, что направление установки линзы очень важно, это наглядно отображено на графиках исследования. Так, например, перевёрнутая линза отличается от обычной тем, что у рупорной антенны с ней лучше показатели коэффициента усиления (одного из главных показателей для антенн) без сужения угла диаграммы направленности. Достигается это за счёт различного сдвига когерентных волн по фазе, благодаря чему максимумы волн из разных зон совпадают, а это в свою очередь вызывает усиление сигнала при неизменном угле излучения. Анализ полученных в ходе моделирования результатов показал, что именно перевёрнутая линза Френеля обеспечила улучшение комплекса параметров рупорной антенны в нескольких диапазонах частот. Для дополнительной проверки результатов была составлена трёхмерная диаграмма направленности антенны, благодаря чему удалось установить, что никакого отрицательного воздействия на направленность антенны нет, угол среза зубцов на зонах Френеля установлен правильно
Ключевые слова: TEM-рупор, диэлектрическая линза, линза Френеля, рупорная антенна
Введение
Современный мир очень сложно представить без мобильных телефонов, микроволно-вок, линий электропередачи, компьютеров и других устройств, излучающих электромагнитное поле. И чем больше таких устройств появляется, тем сильнее возрастает потребность в устройствах измерения и анализа электромагнитных полей, создаваемых этими устройствами [1]. Обычно для анализа электромагнитных полей используются рупорные антенны. Они способны работать в широком диапазоне частот, т.е. являются широкополосными. Это и ряд других важных свойств (например, относительная простота конструкции) делают рупорную антенну незаменимой для различных измерений характеристик электромагнитного поля, а также в технике антенных измерений.
Для улучшения параметров рупорной антенны практикуется установка фазовыравни-вающего элемента на её раскрыве. В этом исследовании в качестве такого элемента будет использована линза Френеля, рассчитанная для электромагнитных волн радиодиапазона [2].
Задачей статьи является создание рупорной антенны с линзой Френеля на выходе волновода. В работе приведены результаты расчёта использования линзы Френеля в рупорных антеннах, предназначенных для приёма электромагнитных волн СВЧ диапазона. Подобные
© Коротков Л.Н., Самодуров А.С., Погребной Д.С., 2018
конструкции ТЕМ-рупоров отличает постоянство значения волнового сопротивления вдоль их продольной оси (совпадающей с направлением излучения максимальной интенсивности). Использование линзы Френеля в них предполагает преобразование фронта волны в плоский вид.
Цель статьи заключается в том, чтобы определиться, какой тип линзы лучше использовать для рупорной антенны в качестве фазо-выравнивающего элемента.
Характеристики антенн
В настоящее время на рынке представлено достаточно много рупорных антенн. Рассмотрим наиболее интересные конкурентные предложения, найденные через каталоги Serшa [3] и Protehnology [4].
На рис. 1 - 3 приведен внешний вид и характеристики двухгребневой рупорной антенны Я^рт DRH20 [5]. Применяется в автомобилях, для радиомониторинга, в электронике, в государственных и оборонных целях, в медицине, в испытаниях технических средств на электромагнитную совместимость и т.д.
На рис. 4 - 6 приведен внешний вид и характеристики двухгребневой рупорной антенны Я^эрт DRH40. Область применения аналогична Я^рт DRH20.
Рис. 1. Антенна RFspin DRH20
Рис. 2. КСВН для антенны КР^ртЭКШО
Рис. 3. Распределение коэффициента усиления RFspinDRH20
3 1
Рис. 4. Антенна RFspin DRH40
Рис. 5. КСВН для антенны RFspin DRH40
Рис. 6. Распределение коэффициента усиления RFspin DRH40
На рис. 7 - 9 приведен внешний вид и характеристики двухгребневой рупорной антенны ETS-Lindgren 3116С. По заверениям производителя [6], достоинствами антенны являются равномерное облучение поверхности тестируемого объекта и возможность точной оценки усиления.
Рис. 7. Антенна ETS-Lindgren 3116С
Рис. 8. КСВН для ETS-Lindgren 3116С
Рис. 9. Распределение КУ и АФ для ETS-Lmdgren 3116С
Однако у всех конкурентов отсутствует линза Френеля, которая может использоваться как фазовыравнивающее устройство (для выпрямления фронта волны) либо в качестве фокусирующего и усиливающего мощность излучения устройства.
Методика
Уравнение поверхности каждой т-й зоны можно записать в виде формул 1 и 2 с той лишь разницей, что фокусное расстояние для каждой т-й зоны выбирается своё [7].
Гш=Г+(т- 1)(+^), при п< 1 , (1) Гш=Г+(т- 1)(-^), при п < 1 , (2)
где f - фокусное расстояние, т - номер зоны, А0 - начальная длина волны, п -показатель коэффициента преломления.
Причём знак "+" берётся при п < 1, а знак "-" при п > 1. Стоит отметить, что зонирование приводит не только к положительному эффекту уменьшения толщины линзы но и к ряду отрицательных эффектов.
Во-первых, в зонированных линзах появляются или необлучаемые участки, в которых волна скользит вдоль ступеньки, или расфазированные участки в угловом секторе. Это приводит к некоторому уменьшению коэффициента направленного действия (КНД) линзовых антенн и к возрастанию уровня боковых лепестков.
Во-вторых, глубина ступеньки зависит от длины волны. К счастью, вышеописанные недостатки ввиду своего небольшого влияния слабо скажутся на качестве антенны. А вот вес и толщину линзы благодаря зонированию удастся уменьшить значительно [8].
Общий вид спроектированных рупоров приведен на рис. 10-12.
Рис. 11. Рупор с перевёрнутой линзой Френеля
Синтез линзы выполнен в TracePro. Расчёты электромагнитного поля проведены в САПР CST (Computer Simulation Technology) STUDIO SUITE 2018 методом квантования по времени
[9], т.е. с помощью решателя Time domain solver. Программа выполняет расчёты электромагнитных полей, непосредственно решая уравнения Максвелла численным методом.
Результаты и их обсуждение
Здесь и далее будут использоваться следующие обозначения:
- сплошная линия используется для обозначения рупора без линзы; пунктирная линия используется для обозначения рупора с перевёрнутой линзой;
штриховая линия используется для обозначения рупора с линзой. В ходе моделирования рупора с различными выравнивающими линзами, установленными на раскрыве, были получены графики, изображённые на рис. 13.
R, Ом
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
/ГГц
Рис. 13. Зависимости активного сопротивления от частоты
Они показывают зависимость активного сопротивления от частоты. Данные этого графика хоть и не являются критично важными, однако вполне способны показать реальное качество работы антенного оборудования и эффективность его конструкции. Среднее значение входного сопротивления можно принять 150 Ом.
На графике на рис. 13 прослеживается, что в области от 5 ГГц до 12 ГГц наличие линзы практически никак не влияет на активное сопротивление, а вот в области от 21 ГГц до 25 ГГц использование линзы приводит к повышенному разбросу значений. Однако в целом на практике такая погрешность практически никак не повлияет на эксплуатационные качества антенны.
Рассмотрим график зависимости реактивного сопротивления от частоты, изображённый на рис. 14.
X Ом
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
/ГГц
Рис. 14. Зависимости реактивного сопротивления от частоты
На графике, изображённом на рис. 14, интересна реактивная часть сопротивления для рупора без линзы тем, что на высоких и низких частотах имеется хоть и небольшое, но индуктивное сопротивление, однако такой разброс не будет критично влиять на измеренные параметры при реальном использовании. На рис. 15 приведен график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты.
КСВН
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
ЯГГц
Рис. 15. Зависимости КСВН от частоты
По графику на рис. 15 видно, что КСВН по всему диапазону частот примерно одинаковый, но при использовании перевёрнутой линзы заметно небольшое повышение в диапазоне от 14
до 21 ГГц, которое, хоть и может отрицательно сказаться на качестве согласования, но в глобальном плане не способно ухудшить свойства антенны проектируемого типа. А правильно повёрнутая линза наоборот приближает КСВН к единице, тем самым обеспечивая более качественный приём и/или передачу сигнала. Сравнение зависимостей коэффициента усиления от частоты наглядно отображено на рис. 16.
D, дБ
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
f, ГГц
Рис. 16. Зависимости коэффициента усиления от частоты
На графике в диапазоне 5-6 ГГц, 8-12 ГГц и 20-22 ГГц все варианты антенны выдают примерно одинаковые значения усиления, а значит, в этом диапазоне как-либо усиливать сигнал линза Френеля не будет. На частоте 7 ГГц наблюдается явное усиление сигнала в рупорах с линзой и перевёрнутой линзой. На частоте 13 ГГц рупор с перевёрнутой линзой явно проигрывает своим конкурентам по качеству усиления, однако отыгрывается в диапазоне 14-16 ГГц, а затем опять проваливается на частоте 17-18 ГГц и усиливает с 23 до 25 ГГц. Рупор с линзой стабильно усиливает сигнал в диапазонах от 16 до 20 ГГц и от 23 до 25 ГГц. К тому же рупор с линзой во всём диапазоне частот (кроме 15 ГГц) практически не уступает (разве что в пределах погрешности) рупору с перевёрнутой линзой и рупору без линзы по качеству усиления сигнала.
На основании графиков, изображённых на рис.15 и 16, видно, что рупор с линзой является лучшим выбором для проектируемой рупорной антенны.
Выводы
Использование рупора с линзой Френеля ощутимо улучшает характеристики антенны.
Малая толщина линзы, являющая следствием применения зонирования, приводит к незначительным потерям энергии в диэлектрике, и коэффициент стоячей волны по напряжению меньше 2 позволяет использовать рупорную антенну в качестве передающего устройства или в качестве излучателя антенной решетки [10].
Как линза, так и перевёрнутая линза не сильно влияют на диаграмму направленности рупорной антенны. И всё же незначительные отличия есть, но они приводят лишь к небольшому эффекту рассеивания, который при реальном использовании вряд ли будет заметен. Однако для правильного понимания необходимо учитывать, что эффект рассеивания присутствует.
Опираясь на вышеописанное исследование, в качестве фазовыравнивающего элемента оптимальным будет использовать линзу Френеля, направленную зубцами к источнику сигнала. Таким образом, использование перевёрнутой линзы Френеля на первый взгляд имеет мало практического смысла.
Литература
1. Пирогов А.А. Методы повышения помехозащищенности и эффективности кодирования сетей связи абонентского доступа // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 1. С. 162-163.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ.-М.: Высш. школа, 1988.
3. Электронный каталог компании Sernia [Электронный ресурс]. URL: https://sernia.ru/catalog/rupornye_antenny (дата обращения 07.05.2018).
4. Электронный каталог компании Protehnology [Электронный ресурс]. URL: https ://www. protehnology.ru/ page/rupornye-antenny (дата обращения 10.05.2018).
5. Электронный каталог фирмы RFspin [Электронный ресурс]. URL: http://www.rfspin.cz/en (дата обращения 03.05.2018).
6. Электронный каталог фирмы ETS-Lindgren [Электронный ресурс]. URL: www.ets-lindgren.com/antennas (дата обращения 04.05.2018).
7. Устройства СВЧ и антенны / Д.И. Воскресенский,
B.Л. Гостюхин, В.М. Максимов, Л.И. Пономарёв. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Радиотехника, 2006. 376 с.
8. Чеснаков Д.Д., Самодуров А.С., Степанова А.В. Поиск путей оптимизации конструкции диэлектрической линзы для ТЕМ-рупоров // Современные проблемы радиоэлектроники. Красноярск: СФУ, 2014. С. 384 - 387.
9. Оптимизация геометрических размеров ТЕМ-рупорной антенны для излучения сверхкоротких импульсов / А.М. Бобрешов, А.А. Головкин, И.И. Мещеряков, Г.К. Усков,. Е.А. Руднев, С.Н. Шульженко // Антенны. 2009. Вып. 6 (145). С. 80-83.
10. О возможности применения пирамидального ТЕМ-рупора с круглой диэлектрической линзой /
C.А. Антипов, А.С. Самодуров, А.В. Степанова, Д.Д. Чес-наков // Радиотехника. 2014. № 3. С. 7-10.
Поступила 03.09.2018; принята к публикации 30.11.2018
127
Информация об авторах
Коротков Леонид Николаевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid. org/0000-0002-5350-5841
Самодуров Александр Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2283-663X
Погребной Денис Сергеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4318-8344
RESEARCH OF THE FRESNEL LENS INFLUENCE ON PARAMETERS OF THE TEM-HORN
L.N. Korotkov, A.S. Samodurov, D.S. Pogrebnoy Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the influence of the Fresnel lens on the input parameters of the horn antenna is studied when different versions of the Fresnel lens are installed. It is established that the use of the Fresnel lens on the opening of the horn antenna in most cases leads to an improvement in a number of parameters, of which the most important are the standing wave voltage coefficient, the gain factor, the active and reactive input resistance. In the course of a numerical experiment, it was found that the direction of installation of the lens is very important; this is clearly shown on the graphs of research. So, for example, the inverted lens differs from the directed one in that the horn antenna has better gain factor (one of the main parameters for the antennas) without narrowing the angle of the radiation pattern. This is achieved due to a different shift of coherent waves in phase, due to which the maxima of the waves from different zones coincide, and this, in turn, causes amplification of the signal with an unchanged radiation angle. An analysis of the results obtained as a result of simulation showed that it was the inverted Fresnel lens that provided the improvement of the horn antenna parameter set in several frequency bands. For additional verification of the results, a three-dimensional radiation pattern of the antenna was compiled, which made it possible to establish that there was no negative effect on the directionality of the antenna, the angle of cut of the teeth in the Fresnel zones was set correctly
Key words: TEM-horn, dielectric lens, Fresnel lens, horn antenna
References
1. Pirogov A.A. "Methods of improving noise immunity and coding efficiency of subscriber access communication networks", ^e Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2011, vol. 7, no. 1, pp. 162-163.
2. Sazonov D.M. "Antennas and microwave devices" ("Antenny i ustroystva SVCh"), Moscow, Vyssh. shkola, 1988.
3. Electronic catalog of Sernia, available at: https://sernia.ru/catalog/rupornye_antenny (accessed 07.05.2018).
4. Electronic catalog of Protehnology, available at: https://www.protehnology.ru/page/rupornye-antenny (accessed 10.05.2018).
5. Electronic catalog of RFspin, available at: http://www.rfspin.cz/en (accessed 03.05.2018).
6. Electronic catalog of ETS-Lindgren, available at: www.ets-lindgren.com/antennas (accessed 04.05.2018).
7. Voskresenskiy D.I., Gostyukhin V.L., Maksimov V.M., Ponomaryev L.I., "Microwave devices and antennas" ("Ustroystva SVCh i antenny"), Moscow, Radiotekhnika, 2006, 376 p.
8. Chesnakov D.D., Samodurov A.S., Stepanova A.V. "Search for ways to optimize the design of a dielectric lens for TEM-horns", Modern Problems of Radio Electronics (Sovremennye problemy radioelektroniki), Krasnoyarsk, SFU, 2014, pp.384 - 387.
9. Bobreshov A.M., Golovkin A.A., Meshcheryakov I.I., Uskov G.K., Rudnev E.A., Shul'zhenko S.N. "Optimization of the geometric dimensions of the TEM-horn antenna for radiation of ultrashort pulses", Antennas (Antenny), 2009, no. 6 ( 145 ), pp. 80-83.
10. Antipov S.A., Samodurov A.S., Stepanova A.V. Chesnakov D.D. "On the possibility of using a pyramidal TEM horn with a round dielectric lens", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2014, no. 3, pp. 7-10.
Submitted 03.09.2018; revised 30.11.2018
Information about the authors
Leonid N. Korotkov, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5350-5841
Aleksandr S. Samodurov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2283-663X Denis S. Pogrebnoy, Student, Voronezh State Technical University, (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail:[email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4318-8344
