CC BY
119
УДК 621.396.67
Радиоэлектроника и системы связи
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ВЛОЖЕННЫМИ НЕСИММЕТРИЧНЫМИ ТЕМ-РУПОРАМИ
А.В. Ашихмин, А.В. Негробов, С.Н. Панычев, Ю.Г. Пастернак
Приведено экспериментальное подтверждение возможности реализации принципа фрактальности для синтеза сверхширокополосных элементов многодиапазонных антенных решеток путем натурных измерений характеристик созданного макета антенного элемента, представляющего собой совокупность несимметричных самоподобных ТЕМ-рупоров, вложенных друг в друга
Ключевые слова: принцип фрактальности, несимметричные ТЕМ-рупоры, диаграмма направленности
В статье [1] была показана возможность создания квазифрактальных антенных структур, а также были приведены результаты численного электродинамического моделирования, подтверждающие адекватность созданных моделей и демонстрирующие расширение функциональных возможностей антенных систем, построенных с применением принципа фрак-тальности, в частности, обеспечение работы антенны в нескольких сверхширокополосных диапазонах; стабилизацию ширины главного лепестка диаграммы направленности; уменьшение массогабаритных параметров антенной системы в целом. Позже, в работах [2, 3] были предложены варианты создания малогабаритных сверхширокополосных антенных систем аппаратуры различного назначения на примере двух антенных решеток, составленных из несимметричных ТЕМ-рупоров, построенных с использованием того же принципа фрактально-сти. Несмотря на большое количество полученных в ходе моделирования зависимостей основных параметров синтезированных структур, в публикациях [2, 3] отсутствуют результаты натурных экспериментов. Поэтому весьма актуальной задачей, поставленной при выполнении настоящей работы, являлось создание макета квазифрактальной антенной структуры и проведение натурных исследований, дополняющих ранее проведенные авторами двух вышеупомянутых статей.
Представленная на рис. 1а модель (используемая в исследованиях, описанных в настоящей статье) отличается от модели, изображение
Ашихмин Александр Владимирович - ЗАО «ИРКОС» д-р техн. наук, тел. (473) 239-23-00
Негробов Владимир Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(903) 653-21-64
Панычев Сергей Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-76-65
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 223-12-46
которой приведено в работах [2, 3], наличием полистироловых стенок (s=2.06), обеспечивающих крепление потенциальных элементов конструкции над поверхностью проводящего экрана, и стеклотекстолитовых подложек (s=5), на которых размещены топологии излучающих структур. Цель таких изменений - создать как можно более точную модель (учитывающую материальные свойства и геометрию объектов) созданного макета, исходя из имеющихся в наличии материалов. Как и в вышеупомянутых работах [2, 3], при проведении численных и натурных экспериментов производилась запитка лишь внешнего ТЕМ-рупора (со входным сопротивлением 75 Ом), остальные же 12 вложенных элементов (3 с коэффициентом подобия 0.25 и 9 с коэффициентом подобия 0.0625) были подключены к сосредоточенным согласованным нагрузкам 100 Ом.
Сравнительный анализ частотных зависимостей коэффициента стоячей волны по напряжению (рис. 2) показал достаточно высокую степень корреляции характеристик, полученных расчетным путем и экспериментальным. Следует отметить, что толщина подложки вложенных антенных элементов при проведении натурных измерений была уменьшена с 1.5 мм (стандартная толщина листа фольгированного стеклотекстолита) до 0.5 мм. При толщине подложки 1.5 мм на графике КСВн на частоте 2.2 ГГц наблюдался всплеск до значения КСВн=4, который удалось устранить путем уменьшения толщины, о чем свидетельствует рис. 2б. Предпочтительнее в качестве материала подложки для вложенных элементов было бы использование материалов фирмы Rogers, однако, как уже отмечалось, имеющиеся заготовки для изготовления печатных элементов были из фольгированного стеклотекстолита.
КСВн
Рис. 1. Исследуемая антенна: а) - визуальное представление электродинамической модели; б) - фотография макета
Для определения частотных зависимостей коэффициента усиления ТЕМ-рупора, а также для построения диаграмм направленности макета исследуемого антенного элемента в Н-плоскости с учетом наличествующего оборудования было принято решение воспользоваться методикой измерений, описанной в статье [4]. Авторами работы [4] было предложено применить для вышеупомянутых исследований панорамный измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения ОЬ2ОГ-304. В качестве вспомогательных антенн были использованы щелевые антенны бегущей волны Вивальди, работающие в том же частотном диапазоне, что и исследуемый ТЕМ-рупор (1 - 3 ГГц). Обе вспомогательные антенны отличаются хорошими входными и направленными характеристиками, [5]. На рис. 3 - 5 приведены результаты натурных измерений диаграмм направленности в Н-плоскости и коэффициента усиления макета ТЕМ-рупора.
У1
\г\ \ \
\\ V \ V
/Г
0.8
1.2
1.6
2.4
2.8 і ГГц
КСВн
\' Ґ 1 \
\ \
/ \
1 Л, \ \
0.8
1.2
1.6
2
б)
2.4 2.8 і, ГГц
Рис. 2. Зависимости КСВн от частоты (теоретически рассчитанная - пунктирная кривая, полученная экспериментально - сплошная кривая): а) - одиночного внешнего антенного элемента; б) - с вложенными 12 подобными элементами
О, дБ 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
о и V
/| £ / "
\
-С*
- уЪК
/ \ // ґ / "з
( '
1.5
2.5
Ґ, ГГц
Рис. 3. Зависимости коэффициента усиления исследуемого антенного элемента от частоты: 1, 2 - одиночного внешнего ТЕМ-рупора, полученные, соответственно, теоретически и в результате эксперимента; 3, 4 - внешнего элемента квазифрактальной структуры с вложенными 12 подобными элементами, соответственно, теоретическая и экспериментальная
в, дБ О
-10
-15
-20
N. ч * ■ — -
А /
\| \г /
V
О 20 40 60
80 100 120 140 160 ф,
а)
О, дБ 5 О -5 -10 -15 -20 -25
—. -ч.
\ \ \ /"
к \ .— -—^
ЛЛ . / \ N / / /
У \ V /
О 20 40 60 80 100 120 140 160 ф,
в)
Рис.4. Диаграммы направленности в Н-плоскости одиночного несимметричного ТЕМ-рупора (теоретическая зависимость - штриховая линия, экспериментальная -сплошная линия), измеренные на частотах: а) - 1 ГГц; б) -2 ГГц; в) - 3 ГГц
Поскольку измерения проводились не в безэховой камере, то на графических зависимостях, полученных в результате натурных экспериментов, на рис. 3 - 5 имеют место флуктуации, связанные с появлением переотраженных волн от стен лаборатории, находящегося в ней оборудования и проч. Тем не менее, общий ха-
рактер (за исключением отдельных всплесков, связанных с вышеупомянутой причиной) экспериментальных зависимостей совпадает с характером расчетных кривых.
О, дБ 5 0 -5 -10 -15 -20 -25
_ —.
Ч \ / А л
V / V, №
/ ' Л/1 \ ' И/ ч / “ /
V
V
'0 20 40 60 80 100 120 140 160 ф, °
в)
Рис. 5. Диаграммы направленности в Н-плоскости внешнего элемента квазифрактальной антенной системы с вложенными 12 подобными элементами (теоретическая зависимость - штриховая линия, экспериментальная -сплошная линия), измеренные на частотах: а) - 1 ГГц; б) -2 ГГц; в) - 3 ГГц
Таким образом, в настоящей работе, являющейся продолжением трудов, посвященных
развитию применения принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхширо-кополосных антенных систем, [1 - 3], дано экспериментальное подтверждение результатам численного моделирования ранее синтезированной квазифрактальной антенной структуры, образованной вложенными несимметричными ТЕМ-рупорами. Высокая степень корреляции теоретически и практически полученных характеристик свидетельствует об адекватности технических решений, положенных в основу при создании макета исследуемого сверхширокопо-лосного антенного элемента.
Литература
1. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рем-бовский Ю.А. Исследование возможности использования принципа фрактальности для построения многодиапазонных сверхширокополосных антенных структур на основе ТЕМ-рупоров, размещенных внутри друг друга / Антенны. 2008. № 2 (129). С. 32-38.
Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва
FIELD OBSERVATION OF SUPERBROADBAND ANTENNA COMPONENTS,
WHICH ARE FORMED BY ENCLOSED ASYMMETRICAL TEM-HORNS
A.V. Ashihmin, A.V. Negrobov, S.N. Panichev, Yu.G. Pasternak
Experimental verification of an opportunity of fractality principle's realization for synthesis of superbroadband elements of multiband antenna arrays is resulted by natural measurements of characteristics of the created breadboard model antenna component, which corresponds a set of asymmetrical self-similar TEM-horns, enclosed to each other
Key words: fractality principle, asymmetrical TEM-horns, directional pattern
2. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рем-бовский Ю.А. О возможности построения многодиапазонных антенных решеток, образованных вложенными несимметричными ТЕМ-рупорами / Антенны. 2009. № 11 (150). С. 24-29.
3. Ашихмин А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рем-бовский Ю.А. Исследование квазифрактальных излучающих структур, созданных на основе несимметричных ТЕМ-рупоров / Вестник ВГТУ. 2009. Т. 5. № 8. С. 150-155.
4.Виноградов А.Д., Михин А.Ю., Подшивалова Г.В. Методика антенных измерений, их современное применение и автоматизация / Антенны. 2010. № 5 (156). С. 15-21.
5. Ашихмин А.В., Негробов А.В., Пастернак Ю.Г., Попов И.В., Рембовский Ю.А. Макетирование одиночных антенных элементов, входящих в состав радиопеленгатор-ных антенных решеток, работающих в сверхшироком диапазоне волн / «Проектирование радиоэлектронных и лазерных устройств и систем» Межвузовский сборник научных трудов, Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». 2009. С. 15-21.
