Сравнительный анализ энергетических характеристик импульсных антенн Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Антенны

УДК 621.396.67.01

А. А. Головков, Г. А. Костиков, М. И. Сугак

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Сравнительный анализ энергетических характеристик импульсных антенн

Выполнен сравнительный анализ основных энергетических характеристик импульсных излучателей различной конфигурации: линейных, планарных, объемных. Обсуждаются закономерности поведения характеристик в зависимости от геометрии антенн, нормированной к пространственной длительности возбуждающего импульса. Проведено ранжирование ряда разработанных и известных излучателей по их энергетической эффективности для одинаковой длительности импульса.

Импульсные антенны, энергетический коэффициент направленного действия, коэффициент полезного действия

В настоящее время при бурном развитии систем, использующих сверхширокополосные сигналы (СШПС) и сверхкороткие импульсы (СКИ) можно констатировать заметный недостаток приведенных в научной литературе сведений об энергетических характеристиках импульсных антенн и рекомендаций по выбору их геометрии для достижения необходимых направленных свойств и нужного качества согласования с фидером при работы с сигналами заданной формы и длительности. Это существенно затрудняет проектирование радиолокационных или связных систем, в частности, не позволяет корректно воспользоваться уравнением дальности для СШПС. В некоторых работах [1]-[3] приводятся лишь общие соотношения, позволяющие проводить оценку энергетических характеристик излучателей или формулы для определения энергетического коэффициента направленного действия (ЭКНД) простейших идеализированных излучателей: элементарного электрического вибратора и решеток на его основе, круглой или прямоугольной равноамплитудной синхронно возбуждаемой площадки и т. п., однако, для большинства практически значимых конструкций антенн -"толстых" вибраторов различных модификаций, антенны Вивальди, ТЕМ-рупоров и ряда других - сведения о ЭКНД, КПД, уровне согласования с фидером практически отсутствуют.

Целью настоящей статьи является сравнительный анализ энергетических характеристик антенн, часто применяемых на практике для излучения и приема СШПС и СКИ, ранжирование различных антенн по их энергетической эффективности. Статья обобщает и развивает ранее опубликованные материалы [4]-[20], в которых отдельные классы антенн исследованы более подробно.

Вибраторные излучатели. Энергетическая эффективность цилиндрического вибратора ниже, чем у плоских и объемных излучающих структур, в силу относительно узкой полосы рабочих частот, однако даже для столь простой антенны в литературе нет сведений 50 © А. А. Головков, Г. А. Костиков, М. И. Сугак, 2005

о ЭКНД и КПД по согласованию в импульсном режиме. В связи с этим были проведены теоретические исследования угловой зависимости ЭКНД на электродинамическом уровне с использованием метода [4], а также в приближении заданного распределения тока непосредственно во временной области при возбуждении гауссовым импульсом [5], [6]. На рис. 1 представлена расчетная зависимость ЭКНД вибратора В от угла места, параметр на кривых д' = ta| (ta = Це - отношение длины

плеча излучателя Ц к скорости света с; -

0 9.

300

q' = 1.804

60

270

240

180 Рис. 1

длительность гауссовского импульса по уровню 0.1). Из приведенных зависимостей следует, что, во-первых, изменение электрических размеров вибраторной антенны в широких пределах не позволяет получить значение ЭКНД выше, чем 1.8, во-вторых, с ростом электрической длины антенны максимум ЭКНД перемещается от нормального направления к углам, примыкающим к оси антенны, в-третьих, можно говорить об оптимальном отношении электрической длины антенны к длительности импульса для достижения максимума ЭКНД в нормальном направлении.

Представленные зависимости получены на основе электродинамического расчета [4], [7]-[9], однако они хорошо совпадают с результатами анализа, проведенного на основе простой математической модели, полученной в приближении заданного распределения тока [5], [6]. В этом случае ЭКНД симметричного вибратора для произвольного угла места 9 и параметра д, равного отношению длины антенны, нормированной к произведению скорости

света на длительность импульса по уровню 1/е (д = д/2^1п (10)), выражается формулой [6]

D ( 9, q ) =

2 + e

[2q2cos2 (9)] + e-(2q2 ) _

4e

-)q

2 [l+cos2 (9)]}

coshl q cos (9 )]

sin2 ( 9) [_ Ein ( 2q2 ) + Ein ( _2q2 ) e

2)e 2q2

x Л -t rl - e

где Ein(x) = [-dt - интегральная экспоненциальная функция. В частном случае для

о t

нормального к оси антенны направления это соотношение принимает вид [6]

D [0 = (П 2), q ] =

2 [3 + e

-2q

- 4e

-(qV2)'

Ein (2q2 ) + Ein (-2q2 ) e~

2q2

Аналогичные формулы получены и для идеализированной однопроводной антенны бегущей волны с коэффициентом замедления, равным единице [10], и с произвольным коэффициентом замедления [5].

О

2

Плоский вибратор Плоский вибратор Электродинамический анализ показывает

п, %

без шлейфов . со шлейфами слабую зависимость ЭКНД от толщины антенны,

40

20

— —'как и при синусоидальном возбуждении [11].

у 100 Вместе с тем энергетические потери, обусловленную ^ные согласованием антенны с фидером, сущест-

¡1 Ьа = 250 венно зависят от отношения длины вибратора Ь к

Ч\ его толщине а. Численный электродинамический

.» Цилиндрический вибратор анализ [4] позволяет рассмотреть закономерности

— поведения КПД по согласованию п, определенно-

0.6 1.2 1.8 4

рис 2 го как отношение энергии излученного импульса

к энергии возбуждающего импульса, для вибраторов разной геометрии (рис. 2; волновое сопротивление фидера 50 Ом; Ь)а = 100 и 250). С уменьшением длительности возбуждающего импульса фидерный КПД растет, причем для более толстых вибраторов рост происходит быстрее. Разумеется, относительно тонкие вибраторы по этой характеристике существенно уступают низкодобротным плоским вибраторным излучателям, особенно в области коротких импульсов.

Сравнительный анализ ЭКНД линейных антенн, включая идеализированные синхронные непрерывные излучатели, приведен в работе [12].

Плоские вибраторные излучатели. Использование плоских излучателей предпочтительнее из-за возможности достижения более высоких энергетических характеристик. Далее рассмотрены характеристики плоского печатного близкого к самодополнительному вибратора с короткозамыкающими шлейфами и без них, печатных вибраторных излучателей с емкостной нагрузкой в плече. Исследованные структуры представлены на рис. 3.

Расчетный ЭКНД плоского самодополнительного вибратора в азимутальных направлениях ф = 0° и ф = 90° приведен на рис. 4.

Заметна значительная азимутальная асимметрия ЭКНД, причем для вибраторов без шлейфов и со шлейфами она проявляется для разных длительностей импульса. Как и для цилиндрических вибраторов, имеется оптимальная длительность импульса, соответствующая максимуму ЭКНД, однако она проявляется только в направлении, перпендикулярном плоскости антенны (ф = 90°). В плоскости антенны (ф = 0°, 180°) для коротких импульсов (больших значений параметра ta|^ ) закономерность роста ЭКНД похожа на

аналогичную зависимость для антенны Вивальди, что обусловлено ее топологией. Зависимость КПД фидера для этих же структур приведена на рис. 2. Имеется некоторый выигрыш для антенны со шлейфами, обусловленный ее более высокой широкополосностью.

Другим вариантом плоской импульсной антенны является разработанный печатный излучатель с емкостной нагрузкой в одном плече (рис. 3). Энергетические и временные зависимости вектора электрического поля в дальней зоне для этих антенн и соображения по выбору их оптимальной геометрии для различной длительности импульсов приведены в работах [13], [14]. Там же представлены экспериментальные зависимости КСВ от частоты. По основным энергетическим характеристикам эти антенны несколько уступают самодополнительным.

Шлейф-вибратор

Излучатель Вивальди

Излучатели с емкостным элементом в плече

Рис. 3

Антенна Вивальди. Благодаря своей широкополосности антенна Вивальди весьма перспективна при работе с СКИ, однако количественных оценок ее энергетических характеристик в литературе нет. Расчетная зависимость ЭКНД излучателя Вивальди [15]-[17] в нормальном направлении от длительности возбуждающего импульса и геометрии антенны приведена на рис. 5; параметром на кривой является абсолютный размер раскры-ва антенны при неизменном продольном размере (вдоль неоднородной щелевой линии).

D 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

D

0.0

0.5

1.0 1.5

Рис. 4

2.0

q

L = 300 мм

150

0 = 90°

ti, не

Рис. 5

5

3

1

0

1

2

0.6

0.4 -

L = 45 см

0.2

нс

Рис. 6

Обращает на себя внимание тот факт, что при больших длительностях импульса ЭКНД стремится к значению 1.5, соответствующему диполю Герца, а уменьшение длительности или увеличение размера раскрыва до некоторых пределов влечет за собой рост ЭКНД. При значительном увеличении рас-крыва (в данном случае - при 2Ь > 450 мм) из-за несинхронности токов отдельных участков апертуры направленные свойства антенны становятся даже хуже, чем для антенны меньших размеров. Форма энергетической диаграммы направленности (в статье не приводится) показывает, что в этом случае она становится существенно шире. Вместе с тем зависимость КПД по согласованию от длительности импульса и размеров антенны (рис. 6) не содержит аномальных участков, так как эта зависимость не учитывает распределение излучаемой энергии по направлению. В результате уменьшение длительности возбуждающего импульса и увеличение размеров антенны приводят к монотонному росту фидерного КПД до относительно высоких значений.

ТЕМ-рупор. Электродинамический анализ энергетических характеристик (ЭКНД и КПД) ТЕМ-рупора, выполненного из двух сходящихся в точку питания треугольных металлических пластин, представлен в работах [18], [19]. При значительных продольных и поперечных размерах, подчас ограничивающих возможности его эксплуатации, достижимы высокие значения ЭКНД и уровня согласования. Следует отметить значительный уровень кроссполяризационного излучения [20], временная зависимость которого существенно отличается от временной зависимости импульса основной поляризации. Электродинамический анализ ЭКНД ТЕМ-рупора выявил наличие экстремума, обусловленного эффектом десинхронизации периферийных участков апертуры из-за временного запаздывания импульса, параметры которого зависят от поперечных размеров раскрыва [4].

В таблице приводятся данные по энергетическим характеристикам (ЭКНД, КПД, ЭКУ) вышеописанных антенн. Данные получены на основе электродинамического моделирования для возбуждающего импульса гауссовской формы длительностью 1 нс. Излу-

Тип излучателя Размер, мм3 КПД (фидерный), % ЭКНД ЭКУ

Плоский вибратор с емкостной нагрузкой Вариант 1 120x120x2 9.5 1.7 (2.3 дБ) 0.16 (-7.97 дБ)

Вариант 2 168x207x2 27 1.7 (2.3 дБ) 0.476 (-3.22 дБ)

Плоский самодополнительный вибратор 203x208x2 47 1.82 (2.6дБ) 0.912 (-0.4 дБ)

Плоский самодополнительный вибратор с шунтами 203x208x2 50 2.63 (4.2дБ) 1.318 (1.2 дБ)

Излучатель Вивальди 340x260x1 72 2.8 (4.472дБ) 2.016 (3.045дБ)

ТЕМ-рупор 300x300x300 80 6 (7.7 дБ) 4.8 (6.812) дБ

чатели расположены в таблице в порядке возрастания энергетичекого коэффициента усиления (ЭКУ) импульсных антенн, равного произведению ЭКНД на КПД.

Приведенная таблица отражает эффективность и размеры различных видов излучателей и позволяет оценить выигрыш (проигрыш) в дальности работы системы в канале связи при переходе от одних типов антенн к другим с помощью уравнения дальности для несинусоидальных сигналов.

Библиографический список

1. Авдеев В. Б. Энергетические характеристики направленности антенн и антенных систем при излучении и приеме сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов // Антенны. 2002. Вып. 7 (62). С. 5-27.

2. Зернов Н. В. Коэффициент направленного действия и эффективная площадь апертурной антенны при излучении и приеме негармонических сигналов // Радиотехника. 1995. № 3. С. 51-52.

3. Содин Л. Г. Импульсное излучение антенны // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43, № 2. С. 166-174.

4. Импульсные антенны: электродинамический анализ FI-методом и экспериментальные результаты / А. А. Головков, Д. А. Калиникос, Г. А. Костиков и др. // 59-я науч.-техн. конф., посвященная Дню радио. Санкт-Петербург, апрель 2004 г. Материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. С.3-4.

5. Сугак М. И. Расчет ЭКНД канонических линейных излучателей на основе приближенной модели распределения тока // 59-я науч.-техн. конф., посвященная Дню радио. Санкт-Петербург, апрель 2004 г. Материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. С. 5-6.

6. Сугак М. И. Расчет энергетического коэффициента направленного действия симметричного вибратора на основе приближенной модели распределения тока // Изв. СПБГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации", 2004. Вып. 1. С. 3-7.

7. Захаров К. А., Сугак М. И. Характеристики длинной вибраторной антенны в нестационарном режиме // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 1997. Вып. 1. С. 6-8.

8. Zakharov К. А., Sugak M. I. Instant radiation pattern of wire antenna for transient excitation //. Proc. of the 28th Moscow Int. Conf. on Antenna Theory and Technology (TTA-98), 22-24 September 1998, Moscow. P. 155-156.

9. Захаров К. А., Сугак М. И. Анализ характеристик проволочных излучателей в нестационарном режиме // 53-я науч.-техн. конф., посвященная Дню радио. Санкт-Петербург, апрель 1998 г. Тезисы докладов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 1998. С. 3.

10. Сугак М. И. Оценка энергетического коэффициента направленного действия однопроводной антенны бегущей волны, возбуждаемой гауссовским импульсом // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2003. Вып.2. С. 16-18.

11. Костиков Г. А., Сугак М. И. Энергетические характеристики длинного монополя при импульсном возбуждении // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2003. Вып.4. С. 12-19.

12. Костиков Г. А. Сугак М. И. Сравнение направленных свойств импульсных линейных антенн // Изв. СПБГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2004. Вып. 1. С. 7-11.

13. Костиков Г. А. Сугак М. И. Характеристики плоских слабонаправленных импульсных излучателей // Изв. СПБГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2004. Вып. 2. С. 34-40.

14. Kostikov G. A., Sugak M. I. Electromagnetic transient analysis of the planar antennas to pulse exitation // Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems: VII Int. Conf. for Young Researchers. St. Petersburg - Valaam - St. Petersburg, 12-15 September, 2004. Preliminary program and abstracts. Saint-Petersburg. 2004. P. 98-99.

15. Сверхширокополосный излучатель Вивальди с модифицированной системой питания / А. А. Головков, Д. А. Калиникос, Б. А. Киселев и др. // Тр. 12-й Междунар. конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии", Севастополь, 9-13 сентября 2002 г. Севастополь: Вебер, 2002. С. 341-342.

16. Экспериментальное исследование антенны Вивальди в импульсном режиме / А. А. Головков, Д. А. Калиникос, Г. А. Костиков, М. И. Сугак // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2003. Вып. 2. C. 13-16.

17. Характеристики антенны Вивальди в импульсном режиме / А. А. Головков, Д. А. Калиникос, Г. А. Костиков, М. И. Сугак // 14-я Междунар. Крымская конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Крымико 2004), 13-17 сентября 2004 г. Материалы конференции. Севастополь, Вебер, 2004. С. 334-335.

18. Костиков Г. А., Лавренко Б. Е., Сугак М. И. Кроссполяризационные эффекты при импульсном излучении ТЕМ-рупора // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". Сер. "Радиоэлектроника и телекоммуникации". 2003. Вып. 2. С. 29-32.

19. Лавренко Б. Е., Костиков Г. А. Энергетический коэффициент направленного действия ТЕМ-рупора // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Матер. семинаров политехн. симпозиума, Санкт-Петербург, декабрь 2004 г. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. С. 54.

20. Лавренко Б. Е., Костиков Г. А., Сугак М. И. Электродинамический анализ кроссполяризационных эффектов в импульсных антеннах // Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона: Матер. семинаров политехн. симпозиума, Санкт-Петербург, декабрь 2004 г. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2004. С. 43.

A. A. Golovkov, G. A. Kostikov, M. I. Sugak

Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"

The Comparative Analysis of the Power Characteristics Impulse Antennas

The comparative analysis of the power characteristics impulse antennas is executed. The behavior of the characteristics depending on geometry of antennas is considered. Developed and known antennas ranged in ascending of the power efficiency.

Impulse antennas, power directive gain, efficiency factor

Статья поступила в редакцию 31 декабря 2004 г.

УДК 621.396.67.061

М. Д. Парнес, В. Д. Корольков

ООО "Резонанс"

М. С. Гашинова, И. А. Колмаков, Я. А. Колмаков, О. Г. Вендик

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

Планарная печатная зеркальная антенна

Рассмотрена зеркальная антенна, состоящая из решетки планарных отражателей. Представлены результаты моделирования одиночного отражателя, результаты измерения характеристик антенны.

Печатная антенна

В печатных антеннах трудно получить коэффициент усиления больше 32 дБ, особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн, из-за возрастания потерь в микрополосковых делителях. Отказ от делителей и переход к зеркальным печатным антеннам позволяет создавать антенны с усилением 30...50 дБ и более [1]. В этом случае, например, в радарах дорогие параболические антенны диаметром 3.5 м можно заменить плоскими панелями, изготовленными по технологии печатных плат. При этом не понадобится изготовление дорогостоящих металлических конструкций. Точность реализации характеристик антенны будет обеспечена точностью реализации размеров излучателей на печатной плате, которая составляет 50 мкм.

Таким образом, можно представить себе новый класс антенн - быстроразвертывае-мые плоские антенны, развертываемые из рулона, что, очевидно проще, чем устанавливать параболическую антенну. Это становится возможным, если учесть, что в качестве основы для печатной платы может использоваться гибкий фольгированный материал.

На рис. 1 изображены два варианта построения планарной зеркальной антенны с применением поляризатора (рис. 1, а) или с использованием отражателя (рис. 1, б). Антенны состоят из рупора (3), который облучает поляризатор (1) или отражатель (2). Волна

56 © М. Д. Парнес, В. Д. Корольков, М. С. Гашинова, И. А. Колмаков, Я. А. Колмаков, О. Г. Вендик, 2005