Научная статья на тему 'Ступенчатый рупорный излучатель с плоской импедансной гребенкой'

Ступенчатый рупорный излучатель с плоской импедансной гребенкой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
394
105
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Карпенко Андрей Александрович, Лепих Ярослав Ильич

Решается задача уменьшения ширины диаграммы направленности (ДН) ступенчатого рупорного (СР) излучателя включением в его состав плоской импедансной гребёнки, представляющей собой ребристую периодическую металлическую структуру канавок прямоугольного сечения. Методом математического моделирования получены нормированные амплитудные диаграммы направленности СР с плоской импедансной гребенкой в горизонтальном и вертикальном сечениях. Данная конструкция позволяет существенно уменьшить ширину ДН излучателя в обеих плоскостях при сохранении постоянства коэффициента отражения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Карпенко Андрей Александрович, Лепих Ярослав Ильич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Step-horn radiator with the flat impedance comb

In the given article the problem of reduction of width of the directional diagram (DD) stepwise horn (SH) the radiator with the help of inclusion in its design of the flat impedance comb representing ridge periodic metal structure of grooves of a rectangular cross section is decided. The method of mathematical modelling obtains the normalized amplitude directional diagrams SH with a flat impedance comb in horizontal and vertical sections.

Текст научной работы на тему «Ступенчатый рупорный излучатель с плоской импедансной гребенкой»

УДК621.396.67

СТУПЕНЧАТЫЙ РУПОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ С ПЛОСКОЙ ИМПЕДАНСНОЙ ГРЕБЕНКОЙ

КАРПЕНКО А.А., ЛЕПИХ Я.И._________________

Решается задача уменьшения ширины диаграммы направленности (ДН) ступенчатого рупорного (СР) излучателя включением в его состав плоской импедансной гребёнки, представляющей собой ребристую периодическую металлическую структуру канавок прямоугольного сечения. Методом математического моделирования получены нормированные амплитудные диаграммы направленности СР с плоской импедансной гребенкой в горизонтальном и вертикальном сечениях. Данная конструкция позволяет существенно уменьшить ширину ДН излучателя в обеих плоскостях при сохранении постоянства коэффициента отражения.

Введение

Одним из наиболее перспективных классов антенн, широко используемых в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) электромагнитных волн, особенно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, являются рупорные антенны (РА). В РА высокая направленность достигается выбором размеров излучающего раскрыва. РА представляют собой отрезок нерегулярного волновода с расширяющимся в одной или двух плоскостях сечением, что обеспечивает согласование питающего волновода со свободным пространством и высокую направленность излучения.

Основными достоинствами РА являются высокая направленность излучения, простота конструкции, надежность эксплуатации. Особо ценным качеством РА является широкополосность, столь необходимая для повышения информативности радиолиний различного функционального назначения.

К настоящему времени строгой теории рупорных антенн не существует. Различные электродинамические модели РА, базирующиеся на тех или иных упрощающих приближениях, не обеспечивают в ряде случаев необходимой точности расчета. Повышение точности расчета характеристик излучения, особенно боковых и задних лепестков диаграммы направленности (ДН), является одним из основных направлений развития теории антенн.

Различные типы рупорной антенны - секториальный, пирамидальный, конический - требуют создания соответствующей электродинамической модели, что затрудняет нахождение электрических параметров РА, в частности, коэффициента отражения (КО) и ДН. Отсутствие строгой теории приводит к необходимости использования различных приближенных инженерных методов анализа и расчета РА, а также итерационных методов компьютерного моделирования.

В процессе проектирования РА обычно ставится задача минимизации КО и геометрической длины РА без изменения ее ДН. В большинстве случаев при этом возникают трудности, связанные с расширением главного лепестка и увеличением уровня боковых лепестков ДН РА. Одним из способов решения задачи при таких условиях является включение в конструкцию РА импедансных структур.

1. Постановка задачи

В [1] решена задача об оптимальном ступенчатом рупорном (СР) излучателе, с минимальным КО при заданной его длине. Разработан алгоритм, определяющий геометрию СР, построены обобщенные графики, позволяющие выбрать оптимальную конструкцию рупора.

Сравнительный анализ показал, что СР о бладает более широкой ДН, чем классический пирамидальный рупор, при одинаковых размерах раскрывов обоих рупоров.

В данной работе решается задача сужения ДН СР с помощью включения в его конструкцию плоской импедансной гребенки без увеличения КО.

2. Исследование СР с импедансной гребенкой

Простейшая импедансная структура представляет собой плоскую металлическую гребенку [2] (рис. 1).

Рис. 1. Плоская металлическая гребенка: l - длина, a -ширина гребенки; t - ширина канавки; х - толщина ребра; h - высота ребра

Параметрами, определяющими ее свойства, являются ширина канавки t, толщина ребра х и высота ребра h. Свойства такой структуры можно описать с помощью поверхностного импеданса Z в плоскости, проходящей по кромкам ребер металлической гребенки.

Поверхностный импеданс Z плоской металлической гребенки приближенно равен [3, 4]

Z = ip 0—h), (1)

t + d

где i - мнимая единица; р о - волновое сопротивление свободного пространства, численно равное 120р (Ом); t - ширина канавки; d - толщина ребра; h - глубина

канавки (высота ребра); Xо -длина волны, соответствующая средней частоте рабочего диапазона СР; k = 2л / Xо - волновое число; в - относительная диэлектрическая проницаемость среды заполнения

1 7

BE, 2005, 1 4

канавок; Ц - относительная магнитная проницаемость среды заполнения канавок.

Для случая воздушного заполнения канавок ^sp. « 1, и формула (1) примет вид

l

опт

0

8

(8)

Из (6) и (8) найдем коэффициент замедления поверхностной волны £,:

Z = ip 0^:^dtg(2nh/ Х 0). (2)

Геометрические параметры гребенки подбираются таким образом, чтобы ее поверхностный импеданс Z в рабочем диапазоне частот носил емкостной характер, что является необходимым условием для существования замедленной поверхностной электромагнитной волны. Для этого необходимо выполнение условий

X 0 >> t >> d;

^ < h <^0 (3)

I 4 2 '

%

= 1 +

^ 0 2l

опт

(9)

Из (5) получим выражение для высоты канавки h:

, X 0

h = -°arctg[-2%

(t + d)] + лк,

t

(10)

где к = 1, 2, 3...n.

В качестве возбуждающего элемента плоской металлической гребенки используем шестиступенчатый СР. Для сравнения диаграмм направленности шестиступенчатого СР и СР с гребенкой (рис. 2) значения параметров а, b, X0 , D примем такими же, как в [1].

Из (1) - (3) видно, что наибольшее влияние на импеданс гребенки Z оказывает высота ребра h (см. рис. 1). Поэтому на практике подбором параметра h можно эффективно управлять импедансными свойствами гребенки.

Коэффициент замедления поверхностной волны £,, бегущей над плоской импедансной гребенкой в направлении оси z, связан с ее импедансом Z соотношением [2]

%

( Z ^2

ІР0 )

Подставив (2) в (4), получим

(4)

t

t + d

2 (

tg

2nh ) 2

^ 0 )

(5)

Для обеспечения режима бегущей волны и получения максимального коэффициента направленного действия (КНД) излучателя длина металлической гребенки l должна иметь оптимальное значение, равное

1опт “ 2fe-1, (6)

где 1 опт - оптимальная длина гребенки.

Максимальный КНД связан с оптимальной длиной металлической гребенки следующим соотношением:

D

81 опт

X 0

(7)

здесь D - максимальный КНД СР с металлической гребенкой.

Из (7) найдем оптимальную длину гребенки:

Рис. 2. СР с плоской металлической гребенкой: 1 - СР; 2 - плоская металлическая гребенка

Тогда ширина металлической гребенки а будет равна горизонтальному размеру раскрыва СР. Исходя из условия (3), зададим параметры гребенки t и d. Зная X 0 и D по формулам (8) - (10), расчетным путем найдем оптимальную длину гребенки 1 опт и высоту канавок h. Величина h должна удовлетворять условию (3). При

h « 0.18 X0 происходит срыв поверхностной волны и коэффициент стоячей волны (КСВ) резко возрастает, а при h > 0,3А,0 КСВ стабилизируется, принимая минимальное значение [5]. Эти факторы необходимо учитывать при выборе геометрических параметров гребенки.

Нормированные амплитудные ДН СР с металлической гребенкой в горизонтальном и вертикальном сечениях рассчитываются по формуле

cos(—— sin 0 E) sin[ л1 опт (£, - cos 0 E)] F(9 E) = —----------------^-----------------X

^ sin 0E cos 0 E)

X 0 X 0

1 8

BE, 2005, 1 4

X

1 + cos0H

2

(11)

H E

где 0 х1, o' - горизонтальный и вертикальный углы (рад), отсчитываемые от центра раскрыва антенны

(рис. 3);

1 + cos 0H 2

- нормирующий множитель; а -

ширина металлической гребенки, равная горизонтальному размеру раскрыва СР; b - вертикальный размер раскрыва СР.

Рис. 3. Ориентация СР в пространстве относительно

н

точки приема электромагнитной энергии: 0 - гори-

E

зонтальный угол; 0 - вертикальный угол между

осью рупора z и направлением на точку

Формула (11) получена методом перемножения характеристик направленности [2]. В ней первая дробь представляет собой ненормированную амплитудную характеристику направленности СР, вторая дробь -ненормированную амплитудную характеристику направленности плоской металлической гребенки в соответствующих плоскостях [2].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На рис. 4 представлены рассчитанные при условии постоянства КО по формуле (11) нормированные амплитудные ДН шестиступенчатого СР с плоской металлической гребенкой. Сплошной кривой показана ДН в горизонтальной плоскости, пунктиром изображена ДН в вертикальной плоскости.

Рис. 4. Нормированные амплитудные ДН шестиступенчатого СР с плоской металлической гребенкой - F(0): сплошная кривая - ДН в горизонтальном сечении; пунктирная - ДН в вертикальном сечении; 0 - углы в обоих сечениях

Получены следующие геометрические параметры плоской металлической гребенки: Оптимальная длина

BE, 2005, 1 4

гребенки 1опт = 111 см; ширина гребенки а = 36.8 см; ширина канавки t = 1 см; толщина ребра d = 0.1 см; высота ребра h = 3.6 см.

Сравнивая ДН СР без гребенки, полученную в [1], и ДН СР с теми же параметрами, но с гребенкой (см. рис. 4), легко заметить сужение главного лепестка ДН СР с гребенкой в горизонтальном сечении примерно на 10 градусов симметрично в обе стороны относительно середины раскрыва. В вертикальном сечении появляются боковые лепестки в секторе углов от 30 до 90 градусов по обе стороны ДН (см. рис. 4). В отличие от СР без гребенки, здесь наблюдается подобие форм ДН в обоих сечениях в секторе углов и от -24 до 24 градусов, что является очевидным преимуществом предложенной конструкции.

Недостатками же ее являются наличие некоторого количества боковых лепестков ДН небольшого уровня в вертикальном сечении и увеличенные размеры антенны. Однако можно подобрать такое значение максимального КНД, при котором ДН в обоих сечениях будут иметь минимальный уровень боковых лепестков при их минимальном количестве. Для данного СР это произойдет, как показали расчеты, при D =28 см и 1=35 см.

Выводы

1. Применение импедансных структур в составе рупорных излучателей позволяет улучшить направленные свойства последних без увеличения КО.

2. Величина импеданса плоской гребенки влияет на уровень и количество боковых лепестков диаграммы напр авленности РА.

3. Варьируя значениями импеданса плоской гребенки в РА, можно достичь уменьшения уровня боковых лепестков, а также получить ДН специальной формы.

Литература: 1. Шумлянский И.И. Рупорные излучатели со ступенчатыми и криволинейными образующими. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986. 147с. 2. Хмель В.Ф., Шумлянский И.И., Горобец Н.Н., Глушков А.В., Кошевой

B. М. Теория и расчет антенн и устройств сверхвысоких частот. Одесса: Латсар, 2001. 252с. 3. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Костенко П.И. Уменьшение бокового и заднего излучения антенны на основе использования импедансных структур // Радиоэлектроника. 2003. № 2.

C. 38-43. 4. Юханов Ю.В. Анализ и синтез импедансной плоскости // Радиотехника и электроника.2000.Т. 45, № 4. С. 404-409. 5. БененсонЛ.С., КюркчанА.Г. Метод развязки антенн при помощи периодических структур // Радиотехника. 1995. № 12. С. 62-69.

Поступила в редколлегию 15.10.2005

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Мокрицкий В.М.

Карпенко Андрей Александрович, магистр, науч.сотр. Одесского национального университета им. И.И. Мечникова. Научные интересы: радиотехника. Адрес: Украина, 65026, Одесса, ул. Дворянская, 2, тел: +38(0482) 726-63-56, e-mail: Karpenko_AA@mai1.ru.

Лепих Ярослав Ильич, д-р физ.-мат. наук, проф., зав. лабораторией Одесского национального университета им. И.И. Мечникова. Адрес: Украина, 65026, Одесса, ул. Дворянская, 2, тел: +38(0482)23-34-61, 726-63-56 факс:+3 8(0482) 23-34-61, e-mail: ndl_lepikh@mail.ru

1 9

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.