CC BY
100
Радиоэлектроника и системы связи
УДК 621.396.67
ОПТИМИЗАЦИЯ СВОЙСТВ ВЫНЕСЕННОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ В АНТЕННЕ С ПЛОСКИМ
ГРЕБЕНЧАТЫМ ЗЕРКАЛОМ
А.В. Останков
Исследовано влияние угла наклона плоскости излучающего раскрыва и ширины диаграммы направленности вынесенного рупорного облучателя на коэффициенты полезного и направленного действия, уровень бокового излучения широкополосной антенны с плоским рефлектором в виде периодической профилированной металлической гребёнки. Предложен и апробирован численный алгоритм оптимизации свойств облучателя по критерию максимума коэффициента усиления зеркальной антенны
Ключевые слова: зеркальная антенна, гребенчатое зеркало, рупорный облучатель, диаграмма направленности, коэффициент усиления, оптимизация
Одной из тенденций развития антенной техники СВЧ и КВЧ диапазонов является поиск альтернативы зеркальным параболическим антеннам, который привёл к появлению класса антенн с плоскими зеркалами [1-8]. Их преимущество заключается в уменьшенных габаритах и чувствительности параметров к погрешностям установки облучателя, в возможности совмещения излучающей поверхности зеркала и несущего объекта, значительно сниженном ветровом сопротивлении и др.
Электродинамическая схема описанной в работе [7] широкополосной зеркальной антенны с плоским рефлектором показана на рис. 1. Зеркало антенны образовано отражательной гребёнкой, канавки которой выполнены в металлическом экране с одинаковым шагом и изменяющейся по длине зеркала глубиной. Возбуждение зеркала производится линейным синфазным облучателем. Глубины канавок подбирают так, чтобы электромагнитная волна, "засвечивающая" каждую канавку, проходила одинаковый путь от облучателя до плоскости фронта отражённой от зеркала волны с учётом двойного прохождения канавки [7]:
2^ =Л/Н1+1А-^/Н+хр"- Xi)sin©m. (1)
При выполнении условия (1) фазы всех пере-излученных канавками парциальных волн одинаковы в плоскости фронта отражённой волны, и антенна излучает в направлении фазирования в широкой
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
полосе частот. Эффективность излучения антенны существенным образом зависит как от высоты подвеса облучателя и угла фазирования, так и характера амплитудного распределения на поверхности рефлектора, определяемого направленными свойствами вынесенного облучателя.
Численный анализ антенны применительно к частотному диапазону 4 - 11.5 ГГц выполнен в работе [7]. На электродинамическом уровне определены распределения полей, диаграмма направленности (ДН) и широкополосность антенны. Вместе с тем значительный интерес представляет исследование влияния угла наклона плоскости излучающего рас-крыва и ширины ДН вынесенного облучателя на характеристики антенны.
Цель статьи - оптимизация геометрии облучателя по критерию максимума коэффициента усиления антенны с учётом основных особенностей, положенных в принцип работы антенны, и паразитных явлений, снижающих её направленные свойства.
Для анализа и параметрического синтеза зеркальной антенны с гребенчатым рефлектором в работах [9,10] предложено решение задачи дифракции электромагнитной волны с амплитудно-фазовым фронтом произвольной конфигурации на конечной гребёнке, имеющей канавки разной глубины и дополненной металлическим экраном. В основу решения положено представление фронта волны облучателя локально-плоским в совокупности точек рас-крыва рефлектора и электродинамический анализ рассеяния плоской волны с искусственно ограниченным в пространстве фронтом на конечном гребенчатом зеркале. Последний реализован на основе метода частичных областей с использованием представления поля в свободном пространстве в виде непрерывного Фурье-спектра и процедуры перераз-ложения модальных функций компонент поля по базису прилегающей области [11].
Указанная численная модель использована для достижения поставленной цели.
В соответствии с моделью приняты обозначения (см. рис. 1): Н - высота подвеса облучателя, ЬР и ЬА - длина рефлектора и антенны (с учётом продольного смещения облучателя), - глубина профиля зеркала, q и d - ширина и шаг следования канавок, ©т - угол фазирования антенны, Р(х) - функ-
ция, описывающая амплитудно-фазовое распределение в раскрыве рефлектора, обеспечиваемое облучателем, к0 = 2р/1 - постоянная распространения волны в свободном пространстве, 1 - длина излучаемой волны, Г2(0) - нормированная ДН антенны по мощности, © - угол наблюдения, отсчитываемый от нормали к рефлектору по направлению часовой стрелки, Д©05 - ширина главного лепестка ДН по уровню "минус" 3 дБ, X - максимальный уровень боковых лепестков (УБЛ) ДН, Б - парциальный коэффициент направленного действия антенны (КНД), ^ - коэффициент полезного действия (КПД) антенны, определяемый отношением мощности электромагнитной волны, взаимодействующей с поверхностью конечного гребенчатого зеркала, к полной мощности излучения облучателя, в = - парциальный коэффици-
ент усиления (КУ) антенны.
Ниже представлены характеристики антенны, облучатель которой формирует волну с цилиндрическим фазовым фронтом и порождает поле с
0(х)=Го(х)-н01)(к^х2 + Н2), (2)
где н (01) - функция Ганкеля первого рода нулевого порядка, Б0(х) - амплитудная ДН облучателя в Е-плоскости как функция продольной координаты х при ъ = 0; предполагается, что облучатель имеет фазовый центр в точке с координатами (0, Н). Пусть в качестве облучателя используется Е-секториальный оптимальный рупор, тогда амплитудная ДН описывается выражением [12]:
Г0 (х) = (1+сс^[ф (х)])^тс(0.5к0^ш[ф (х)]), (3)
где ф(х)=аг^(х п /Н)-аг^(х/Н); sinc(x) = sin(x)/x; хп - продольная координата точки в раскрыве рефлектора, соответствующей угловому направлению максимума ДН облучателя и привязанной к углу а между нормалью к зеркалу и плоскостью раскрыва рупора (рис. 2): а = 90°-аг^(хп/Н); Ь - характерный размер раскрыва рупора.
(выдержано реальное соотношение продольного размера ЬР и глубины профиля зеркала). Шири-
на канавок взята равной q = 0^.
Рис. 3
Пусть оптимизация производится для случая, когда период гребёнки d равен 0.41 (1 = 2^). Действительно, максимальное значение d, как правило, не должно превышать половины длины волны, так как при d > 0.51 в видимой части ДН появляется дополнительный дифракционный лепесток, соизмеримый по уровню с главным, соответствующим направлению фазирования. С другой стороны, уменьшение периода гребёнки по сравнению с длиной излучаемой волны приводит к снижению КНД антенны и увеличению ширины главного лепестка ДН. Таким образом, целесообразно положить период гребёнки, близким к критической величине. Степень близости определяется требуемой полосой частот (в нашем случае она будет составлять около 50 %).
На рис. 4 представлены полученные на основе численного моделирования для 1 = 2^ зависимости КПД, УБЛ, КНД и КУ зеркальной антенны от угла а между нормалью к зеркалу и плоскостью раскрыва облучателя при разных размерах раскрыва рупора: 1 - Ь/1 = 0.5, 2 - 0.75, 3 - 1.0, 4 - 1.25, 5 -1.5, 6 - 1.75, 7 - 2.0. Из рис. 4 следует, что максимальные значения КПД достижимы при а » 55°, КНД - при а » 40°, так что наибольший КУ характерен для геометрии, у которой а принимает значения от 42 до 50°, а параметр Ь/1 от 1 до 1.25. Вместе с тем анализ представленных распределений максимального УБЛ ДН свидетельствует о том, что минимум бокового излучения антенны при тех же значениях Ь/1 соответствует углам а » 48 - 49°. Поэтому оптимальными параметрами облучателя для Н = 25d, ЬР = 70d и 1 = 2.5^ видимо, следует считать а = 48°, Ь = 1.251.
Будем полагать, что высота подвеса облучателя Н относительно невелика и составляет для определенности 25d. При этом продольное смещение облучателя относительно края зеркала отсутствует (ЬА-ЬР = 0), а фазировка антенны производится в угловом направлении ©т = 45°. Тогда глубинный профиль гребенчатого рефлектора длиной ЬР = 70d, найденный в соответствии с (1), показан на рис. 3
0.9
0.8
0.7-Н
0.6
30 40
Б
50 40 30+
30 40
50
'4ч>^2: 45
40
б' 'ч \ 35
^ Ч- 30 25
30 40
г)хВ
а,° 30 40
Рис. 4
534823489148914823484848
Представленный алгоритм численной оптимизации свойств облучателя легко формализуется.
Рассмотрим вопрос о выборе важнейшего параметра гребенки - ширины ее канавок. На рис. 5 представлены значения парциального КНД антенны и максимального УБЛ ДН, полученные на основе моделирования, при разных значениях ширины канавок гребенки - от 0.5 до 0^ - и длинах волн (1 -1 = 24 2 - 2.54 3 - 3ф. Параметры облучателя взяты равными а = 48° и Ь/1 = 1.25. Из данных рис. 5 следует, что оптимальным значением ширины канавок, является величина, близкая к 0.7 от периода. При этом значении антенна обладает минимальным уровнем бокового излучения и максимальным КНД.
Для оценки потенциальных возможностей антенны выполнен расчет ее ДН в пределах 40 %-й полосы длины волны излучения (1 = 2 - 3d). Результаты расчетов подтверждают широкополосные свойства антенны: фокусировка антенны сохраняется практически неизменной (плюс-минус 0.1°), ширина ДН на нижней частоте становится шире на 0.4°, на верхней - уже на 0.3°. КНД на нижней частоте хуже всего на 0.6 дБ, чем КНД на центральной частоте. УБЛ увеличивается до "минус" 17 дБ на верхней частоте и "минус" 13 дБ - на нижней.
Таким образом, предложен и апробирован численный алгоритм оптимизации свойств рупорного облучателя антенны с гребенчатым рефлектором по критерию максимума коэффициента усиления с учетом величины максимального УБЛ ДН.
Литература
1. Pat. US 8289221 B1, Int. Cl. H01Q 13/00 (2006.01). Deployable reflectarray antenna system / Finucane C.; assign-
ee the United States of America as represented by the Secretary of the Air Force. - № 12/824318; filed 28.06.2010; date of pat. 16.10.2012. - 11 p.
2. Huang, J. Reflectarray Antennas / J. Huang, J.A. Encinar. - IEEE Press, Wiley-Interscience, 2008. - 216 p.
3. Пат. RU 2435263 С1, МПК6 H01Q 21/00. Двухдиапазонная антенна / Заводов Л.В., Каялин А.В., Степаненко
A.Н., Фельдшерова ГВ.; заявитель и патентообладатель ОАО "Научно-исследовательский институт радиоэлектронных комплексов" (ОАО "НИИРЭК"). -№ 2010116915/07; заявл. 28.04.2010; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33. - 13 с.
4. Плоская отражательная печатная антенна или параболическая антенна, что технологичнее? / О.Г Вендик, М.Д. Парнес, В.Д. Корольков, РР Шифман // Беспроводные технологии. - 2007. - № 1. - С. 15-24.
5. Обуховец, В. А. Микрополосковые отражательные антенные решетки. Методы проектирования и численное моделирование / В. А. Обуховец, А. О. Касьянов; Под ред.
B. А. Обуховца. - М.: Радиотехника, 2006. - 240 с.
6. Антенна трехсантиметрового диапазона волн с плоским фокусирующим рефлектором / К.Б. Меркулов,
A.В. Останков, Ю.Г Пастернак и др. // Приборы и техника эксперимента. - 2003. - Т 46. - № 4. - С. 165-166.
7. Сестрорецкий, Б.В. Широкополосная плоская отражающая антенна с наклонным лучом / Б. В. Сестрорец-кий, Б.А. Пригода, С.А. Иванов // Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи: сб. тр. III междунар. науч.-техн. конф. - Воронеж, 1997. - Т 2. - С. 255263.
8. Пат. SU 1741621 А3, МКИ5 H01Q 19/17. Антенна / Ерохин Г.А., Шкварин В.В. - № 4913473/09; заявл. 16.01.91; опубл. 15.06.92, Бюл. № 22. - 2 с.
9. Останков, А.В. Анализ излучения антенны с плоским ребристым зеркалом / А. В. Останков // Наука производству. - 2004. - № 11 (79). - С. 46-50.
10. Останков, А. В. Математическая модель зеркальной антенны с плоским ребристым зеркалом [Текст] / А.
B. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1. - № 11. - С. 99102.
11. Останков, А. В. Дифракция локальной плоской волны на отражательной квазипериодической решетке [Текст] / А. В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - Т. 2. - № 1. - С. 101-104.
12. Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терёшин; Под ред. Г.З. Айзенберга. - В 2-х ч. Ч. 2. - М.: Связь, 1977. - 482 с.
Воронежский государственный технический университет
OPTIMIZATION OF THE PROPERTIES IMPOSED FEED THE ANTENNA WITH A FLAT
MIRROR WITH A COMB
A.V. Ostankov
The influence of the angle the plane of the radiating aperture and the width of the pattern imposed on the feed horn efficiencies, and directed action, the level of side radiation of broadband antenna with flat reflector in the form of a periodic profiled metal comb is considered. Numerical algorithm for optimizing the properties of the radiator by a maximum gain of a reflector antenna is proposed and tested
Key words: mirror antenna, comb mirror, feed hom, the radiation pattern, gain, optimization
