CC BY
178
УДК 621.396.67
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ ИСКАЖЕНИЙ СВЕРХКРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ, ИЗЛУЧАЕМЫХ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ
А.В. Ашихмин, А.В. Негробов, Ю.Г. Пастернак, И.В. Попов, Ю.А. Рембовский
Предложен способ компенсации искажений фазочастотного спектра сверхкоротких импульсов, излучаемых вибраторной логопериодической антенной. Показано, что использование четырех-пяти- каскадных схем фазовой коррекции, выполненных на сосредоточенных элементах, или построенных на основе комбинации отрезков линий передачи и сосредоточенных элементов, позволяет, практически, восстановить форму и амплитуду импульса, а также существенно уменьшить уровень паразитных выбросов
Ключевые слова: логопериодическая антенна, сверхкороткий импульс, фазовая коррекция
Логопериодические антенны (ЛПА) обладают совокупностью уникальных преимуществ, практически недостижимых в других перспективных сверхширокополосных антеннах (ТЕМ-рупорах, антеннах Вивальди):
- простота конструкции антенны, малые ее поперечные габаритные размеры и масса, относительно малая парусность;
- возможностью создания антенных устройств, функционирующих в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 100;
- легкость обеспечения во всей рабочей полосе частот практически постоянных значений коэффициента усиления, входного сопротивления, диаграммы направленности, а также фиксированной линейной поляризации излучаемых волн.
Логопериодические антенны можно использовать в качестве элементов антенных решеток [1], в том числе, - позволяющих осуществлять круговой обзор пространства в сверх-широкой полосе частот. В работе [1] показано, что с помощью такой антенной системы, можно реализовать оценку угловых координат источников радиоизлучения в полосе частот с частотным перекрытием до 4 с использованием амплитудно-фазового метода пеленгования.
Спиральные антенны Архимеда, излучающие волны круговой поляризации, обладают весьма похожими свойствами, за исключением того, что: - их диаграмма направленности в большей степени зависит от частоты, чем у логопериодических антенн;
Ашихмин Александр Владимирович - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), д-р. техн. наук, тел. (4732) 39-23-00 Негробов Александр Владимирович - ВГТУ, аспирант, тел. (905) 050-19-87
Пастернак Юрий Геннадьевич - ВГТУ, д-р. техн. наук, профессор, тел. (4732) 23-12-46
Попов Игорь Владимирович - ОАО «Концерн «Созвездие», канд. техн. наук, тел. (905) 657-12-97 Рембовский Юрий Анатольевич - ВФ ЗАО «ИРКОС» (г. Москва), канд. физ.-мат. наук, тел. (495) 615-73-02
- при расположении архимедовских спиралей в составе антенных решеток расстояние между их центрами излучения оказывается существенно большим, чем при использовании ЛПА, поэтому антенные решетки, составленные из логопериодических антенн, существенно более широкополосны по критерию сохранения формы и параметров диаграммы направленности;
- запитка архимедовских спиралей более сложна конструктивно;
- они характеризуются большей парусностью.
Общим недостатком логопериодических антенн и спиралей Архимеда является сильное искажение фазочастотного спектра излучаемых широкополосных и сверхширокополосных сигналов, выражающееся во временной задержке (в первом приближении - почти линейной при изменении частоты) низкочастотных составляющих спектра. Данное явление приводит к «рассыпанию» по временной оси сверхкоротких импульсов, излучаемых логопериодическими антеннами и архимедовскими спиралями: эффективная длительность импульса (по энергетическому критерию) может увеличиться в 10 раз и более при коэффициенте частотного перекрытия его спектра от 2.5 до 3.
Данный недостаток можно в значительной мере скомпенсировать, не изменяя конструкций логопериодических антенн (а также - спиралей Архимеда), т. е. - не теряя ряда их очевидных преимуществ. Одним из способов компенсации фазочастотных искажений логопериодических антенн и спиралей Архимеда является использование фазовых корректоров, обладающих фазочастотными характеристиками, близкими к квадратичным, или, что то же самое - характеризующихся линейным ростом времени задержки спектральных составляющих с ростом частоты (обратным соответствующей характеристике антенного устройства).
Целью настоящей работы является разработка и исследование устройств компенсации искажений сверхкоротких импульсов, излучаемых логопериодической антенной в печатном исполнении, показанной на рис. 1.
Полоса рабочих частот антенны по критерию удовлетворительного ее согласования с питающей фидерной линией составляет приблизительно от 0.92 до 2.62 ГГц, рис. 2, 3. Коэффициент усиления антенны в данной полосе частот изменяется в пределах от 7.5 до 8 дБ, рис. 4. Достаточно низкий уровень отраженных сигналов от входа антенны (максимальное значение модуля коэффициента отражения по мощности составляет, приблизительно, 0.053) и незначительная (около 0.5 дБ) вариация ее коэффициента усиления, а также стабильность вида поляризации излучаемых электромагнитных волн не приводят к существенным искажениям амплитудно-частотного спектра излучаемого сигнала.
Рис. 1. Исследуемая логопериодическая антенна
Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВН) исследуемой логопериодической антенны
Фазочастотный спектр излучаемого сигнала, напротив, претерпевает существенные изменения, из-за существенной частотной зависимости времени задержки спектральных составляющих, излучаемых исследуемой логопериодической антенной, рис. 5. Из него, например, видно, что при эффективной ширине спектра излучаемого сигнала от 1 до 2.5 ГГц значения группового времени задержки изменяется от 5.05 до 1.55 нс.
в, дБ
—^
/
/1 V і t 1 /
1* #ч
п I I 1 - У
1 І /Ц /V і
1 \ а! 4 1 \
1/ '< ї II 4
і ч і I
/> ГГц
Рис. 2. Номограмма Вольперта-Смита исследуемой ЛПА для значения волнового сопротивления фидерной линии 50 Ом
Рис. 4. Коэффициент усиления (сплошная линия) и уровень заднего лепестка исследуемой логопериодической антенны
Для коррекции фазочастотных искажений спектра излучаемого сигнала предлагается использовать устройства фазовой коррекции [2], структурные схемы которых показаны на рис. 6. Рассмотрим, в частности, однокаскадную схему, показанную на рис. 6, а).
Ее характеристики могут быть описаны с помощью соответствующих характеристик симметричного четырехполюсника (Ь1 = Ь3), напряжения и1, и2 и токи 11, 12 на входе которого связаны между собой с помощью импе-дансной матрицы а - параметров [2]:
и1 = а11и 2 + а1212 ,
1Х = а21и 2 + а2212-
Элементы матрицы [а] находятся в соответствии с [2] следующим образом:
[] =
г і + г 2 ( + г з)
^1 (гі + г3 )+ г2 (2гі + г3 ) гіг3 (гі + 2г2 )
2г1 + г3 гі ( + г3)+г 2 ( + г 3)
где
гі = ]юц г 2 = І
(а2Ь2С2 -іЛ
аС2
і
аСл
Данный четырехполюсник эквивалентен отрезку линии передачи с волновым сопротивлением 10, вносящим фазовый сдвиг Т и характеризующимся временем задержки т [2]:
*0 = Vа12 / а21 ,
Т = агссо8(ап),
ёа11 / ёю
Vі -(ап )2
Рис. 5. Частотная зависимость времени задержки спектральных составляющих, излучаемых исследуемой логопериодической антенной
Первоначальные значения номиналов реактивных элементов выбирались в соответствии с условиями обеспечения удовлетворительного согласования антенно-фидерного устройства «антенна - фазовый корректор» и компенсации временной задержки между спек-
тральными составляющими излучаемого ЛПА сигнала на нижней и верхней частотах рабочего диапазона. Далее они уточняются с помощью процедуры случайного поиска, в рамках выполнения которой учитываются условия необходимости обеспечения симметричности каждого каскада фазокорректирующего устройства.
С, = 5.53 пФ , С2 = 0.57 пФ , Ь = 0.65 нГн .
а)
Сі = 3.77 пФ , С2 = 0.58 пФ , Ьі = 0.78 нГн ,
Ь2 = 9.89 нГн , Ь3 = 0.78 нГн , С3 = 3.74 пФ ,
С4 = 0.87 пФ , Ь = і.05 нГн , Ь = 8.36 нГн ,
Ьб = і .05 нГн
б)
Рис. 6. Схемы однозвенного (а) и двухзвенного (б) фазокорректирующих устройств для полосы рабочих частот от і до 2.25 ГГц на сосредоточенных элементах
Рис. 7. Частотная зависимость времени задержки спектральных составляющих сигнала, излучаемого с помощью антенно-фидерного устройства«логопериодическая антенна - фазовый корректор с 5 звеньями»
і
X
Ь2 = і2.і7 нГн , Ь3 = 0.65 нГн
В ходе проведенных численных экспериментов было выяснено, что при наличии в фазовом корректоре четырех-пяти каскадов, частотная дисперсия времени задержки излучаемых спектральных составляющих сверхширо-кополосного сигнала (с коэффициентом частотного перекрытия 2.25), имеющего вид сверхкороткого импульса, существенно уменьшается, рис. 7.
Рис. 8. Сравнение формы импульсов, характеризующихся шириной полосы частот от і до 2.25 ГГц: кривая і - излученного идеальной антенной; кривая 2 - излученного логопериодической антенной, запитанной с помощью фазового корректора с 5 звеньями
Сі = 2.90 пФ, С2 = 0.47 пФ , Ь = 0.70 нГн ,
Ь2 = 0.5і нГн, Ь3 = 0.70 нГн , 4 = = і3.і мм ,
Wl = 0.5 мм , С3 = 2.45 пФ , С4 = і.32 пФ ,
Ь4 = 0.50 нГн , 12 = 5.6 мм , w2 = 3.5 мм ,
13 = = і3.і мм , Wз = 2.5 мм , І4 = 5.6 мм ,
W4 = 3.5 мм , С5 = 3.00 пФ , С6~- = і.66 пФ ,
Ь5 = 0.50 нГн , 15 = 2.5 мм , W5 = і.9 мм ,
4 = = 8.4 мм, w6 : = і.7 мм , 17 = 2.5 мм ,
w7 = і.9 мм , С7 = 3.35 пФ , с8 = = 0.32 пФ ,
Ь6 = 0.39 нГн , Ь7 = 0.50 нГн , Ь = 0.39 нГн ,
18 = і2.8 мм, w8 = 0.5 мм
Рис. 9. Схема четырехзвенного фазокорректирующего устройства для полосы рабочих частот от 1 до 2.5 ГГц.
Из рис. 8 видно, что использование синтезированного фазового корректора позволяет в существенной степени приблизить форму сверхкороткоимпульсного сигнала, излучаемого логопериодической антенной, к идеальной, соответствующей случаю излучения того же
самого сигнала гипотетической идеальной антенной, которая не искажает комплексный спектр подводимого к ней сигнала при его излучении, характеризуется идеальным качеством согласования и обладает идеально стабильными поляризационными характеристиками.
На рис. 9 представлена схема четырехзвенного фазокорректирующего устройства для полосы рабочих частот от і до 2.5 ГГц, основанная на комбинации использования отрезков линии передачи и сосредоточенных реактивных элементов Ь и С .
Рис. і0. Сравнение временных задержек в антенне с симметрирующим трансформатором (кривая і), в фазовом корректоре (кривая 2) и в антенно-фидерном устройстве «логопериодическая антенна с симметрирующим трансформатором - фазовый корректор» (кривая 3)
а)
в)
Рис. 11. Временные зависимости импульсов с шириной полосы частот от 1 до 2.5 ГГц, излученных: а) - идеальной антенной; б) - логопериодической антенной; в) - логопериодической антенной, запитанной с помощью фазового корректора с 4 звеньями
Рис. 12. Совмещение «идеального» и «реального» излученных импульсов с целью иллюстрации их отличий друг от друга
тверждает эффективность использования даже упрощенного фазового корректора, рис. 10.
Из рис. 11 видно, что в результате отклонений от идеально плоской частотной зависимости времени задержки излучаемых спектральных составляющих в синтезированном устройстве (рис. 10), уменьшается амплитуда излучаемого двуполярного импульса (приблизительно в 1.33 раза) и появляются множественные паразитные выбросы, максимальные из которых характеризуются уровнем, всего лишь на 6 дБ меньшим, чем пиковый уровень излучаемого импульса, рис. 12. Тем не менее, сравнивая рис. 11, б) и в), легко убедиться в эффективности использования синтезированного фазового корректора, проявляющейся в существенном уменьшении эффективной длительности излучаемого импульса (по критерию содержания 90% энергии входного импульса).
Таким образом, описанный в статье способ компенсации искажений фазочастотного спектра логопериодической антенны с помощью использования многокаскадных схем фазовой коррекции из элементов с сосредоточенными параметрами позволяет существенно расширить область применения логопериодических антенн и составленных из них антенных решеток в сверхширокой полосе частот.
Выравнивание частотной зависимости времени задержки спектральных составляющих, излучаемых антенно-фидерным устройством «логопериодическая антенна с симметрирующим трансформатором - фазовый корректор» иллюстрируется рис. 10. Несмотря на то, что при меньшем числе звеньев, чем в ранее рассмотренном случае, неравномерность частотной зависимости времени задержки уменьшается от Дт = 3.5 нс всего лишь до Дт = 1.5 нс (рис. 10), временная зависимость излучаемого сигнала (наблюдаемого в дальней зоне) под-
Литература
1. Иванов А.В., Пастернак Ю.Г. Алгоритм оценки азимута источника СВЧ излучения с помощью кольцевой антенной решетки из логопериодических антенн. Телекоммуникации. 2006. № 11. С. 26-31.
2. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. В.М. Карпов, В.А. Малышев, И. В. Перевощиков / под ред. В. А. Малышева. М.: Радио и связь, 1984. 104 с.
Воронежский государственный технический университет Научно-производственное предприятие ЗАО «ИРКОС», г. Москва
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF THE COMPENSATION DEVICES OF THE SUPERSHORT PULSES’ RADIATED BY THE LOG-PERIODIC ANTENNA DISTORTIONS
A.V. Ashihmin, A.V. Negrobov, J.G. Pasternak, I.V. Popov, J.A. Rembovsky
The way of compensation of supershort pulses’ radiated by dipole log-periodic antenna phase-frequency spectrum’s distortions is proposed. It is shown, that application of four-five-stage circuits of the phase correction executed on lumped elements, or the combination of transmission lines’ sections and the lumped elements allows to restore, practically, the form and pulse amplitude, and also to reduce a level of parasitic emissions substantially
Key words: log-periodic antenna, supershort pulse, phase correction
