Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Основные понятия и определения характеристик импульсных антенн. Типы излучателей Вивальди 12
1.1. Основные понятия и определения, используемые для описания антенн в импульсном режиме 14
1.1.1. Коэффициент полезного действия импульсных антенн 15
1.1.2. Энергетический коэффициент направленного действия импульсных антенн 17
1.1.3. Энергетический коэффициент усиления импульсных антенн -18
1.1.4. Уравнение радиолокации и связи для несинусоидальных сигналов 19
1.2. Экспериментальные и теоретические методы анализа антенн в импульсном режиме 20
1.2.1. FIT-метод 22
1.3. Антенна Вивальди 24
1.3.1. Классификация излучателей Вивальди 25
1.3.2. Излучатель Вивальди, возбуждаемый СКИ 32
Выводы. Постановка задач исследований 37
Глава 2 Фидерный КПД излучателя Вивальди возбуждаемого СКИ 38
2.1. Постановка задач исследований 39
2.2. Влияние геометрии излучателя Вивальди на фидерный КПД—43
2.2.1. Влияния сопротивления источника на фидерный КПД излучателя Вивальди 43
2.2.2. Влияние длительности возбуждающего импульса на КПД излучателя Вивальди 5 8
2.3. Влияние формы переферийных областей излучателя Вивальди на фидерный КПД 64
Выводы по материалам 2 главы 68 STRONG
Глава 3 Полевые характеристики излучателя Вивальди возбуждаемого СКИ STRONG 70
3.1. Анализ направленности антенн на основе FIT метода 71
3.1.1. Методика расчета эффективной энергетической поверхности излучателя 74
3.2. Форма сигнала, излучаемого антенной Вивальди при возбуждении СКИ 75
3.3. Энергетический коэффициент направленного действия излучателя Вивальди 84
3.4. Кроссполяризационное излучение антенны Вивальди в импульсном режиме 93
3.5. Энергетический коэффициент усиления излучателя Вивальди, возбуждаемого СКИ 106
Выводы по материалам 3 главы ПО
Глава 4 Разработка конструкции и применения излучателя Вивальди - 112
4.1. Излучатель Вивальди, возбуждаемый СКИ 112
4.1.1. Экспериментальный анализ характеристик антенны Вивальди в монохроматическом режиме 112
4.1.2. Результаты экспериментального исследования излучателя в режиме излучения СКИ 117
4.1.3. Экспериментальный анализ распространения сигнала в канале, состоящем из излучателей Вивальди, при наличии препятствий. 120
4.2. Разработка биортогонального излучателя Вивальди 126
4.2.1. Конструкция биортогонального сверхширокополосного излучателя 126
4.2.2. Оптимизация геометрии раскрыва и электрических характеристик антенны в частотной области 127
4.2.3. Конструкция системы питания биортогонального излучателя 131
4.3. Сравнительный анализ излучателя Вивальди с антеннами других типов 140
4.3.1. Вибраторные антенны в импульсном режиме 140
4.3.2. Плоские широкополосные вибраторы 146
Заключение 164
Список литературы
- Энергетический коэффициент направленного действия импульсных антенн
- Влияния сопротивления источника на фидерный КПД излучателя Вивальди
- Форма сигнала, излучаемого антенной Вивальди при возбуждении СКИ
- Экспериментальный анализ характеристик антенны Вивальди в монохроматическом режиме
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время применение сверхкороткоимпульсного (СКИ) режима вышло за рамки систем подповерхностного зондирования и сверхкототкоимпульсной радиолокации в которых он, на протяжении нескольких десятилетий хорошо зарекомендовал себя. Труды российских и международных конференций демонстрируют бурный рост исследований и разработок диагностических систем (в том числе медицинская диагностика), систем локального противодействия, систем радиовидиния, и, наконец, связных систем, использующих возбуждение антенн сверхкороткими импульсами и сверхширокополосными сигналами. Появляются, решения, обладающие некоторыми преимуществами над системами, использующими классические методы генерации электромагнитных волн. Столь динамичное развитие импульсных систем требует разработки эффективных излучателей широкополосных и импульсных сигналов. Большой вклад в исследования антенн, возбуждаемых импульсным сигналом внесли Российские коллективы исследователей из ВИКА им. Можайского под руководством Зернова Н.В., БГТУ "Военмех" (С.-Петербург) под руководством Астанина Л.Ю., НЛП " РАДАР ММС" под руководством Французова А. Д. (С.Петербург), МАИ под руководством Иммореева И. Я., Гринева А. Ю, МГТУ им. Баумана, в котором работает коллектив, возглавляемый Чернышевым С. Л., НИИИПТЗИ ФСТЭК России Авдеев В. Б, ЗАО "ИРКОС" Ашихмин А. В (г. Воронеж), а также иностранные ученые СЕ. Baum, E.G. Farr, G. S. Smith, H. Schantz, H. H. Колчигин (Украина) и другие специалисты.
Несмотря на обилие работ, посвященных исследованиям импульсных антенн, в настоящее время этот элемент импульсных систем отличается скудной теоретической базой. Определения, используемые для описания антенн, работающих в режиме узкополосного воздействия, требуют корректировки в случае их использования для импульсных антенн. Эта задача
решена в работах Зернова Н. В. и Авдеева В. Б., в них приводятся определения и методики расчета основных энергетических характеристик, которыми необходимо пользоваться при описании свойств сверхширокополосных и импульсных антенн, а также уточнены величины, входящие в уравнение дальности при использовании «несинусоидальных» сигналов. Однако в работах не приводится количественных данных об энергетических характеристиках практически важных типов антенн, что затрудняет выбор геометрии, не позволяет проводить расчет системных характеристик (дальность работы, потребление, КПД и др.) и их оптимизацию.
В системах с особыми требованиями на скрытность и массу применение классических и хорошо зарекомендовавших себя импульсных антенн, таких как ТЕМ - рупора, биконические вибраторы и др., невозможно. Плоские конструкции обладают более хорошими массогабаритными и конструктивными характеристиками, поэтому целесообразно использовать их для формирования импульсного излучения. Наиболее ярким представителем класса планарных широкополосных антенн является излучатель Вивальди: вместе со всеми достоинствами плоских структур он незначительно проигрывает объемным в своих электрических характеристиках. Известны системы, в которых антенна этого типа используется для приема и излучения импульсного сигнала, однако недостатком существующих работ является отсутствие целостного анализа излучателя в импульсном режиме. В работах не говорится о том, как геометрия излучателя, длительность и форма СКИ сказываются на его энергетических характеристиках, что существенно усложняет проектирование систем.
В связи с перспективностью использования излучателя Вивальди в импульсных системах, слабой теоретической и экспериментальной проработкой вопросов влияния параметров антенны на энергетические и угло-временные характеристики, отсутствием рекомендаций к проектированию высокоэффективных импульсных антенн, исследования антенны Вивальди в
7 режиме импульсного возбуждения на сегодняшний день являются актуальными.
Цель работы и задачи исследований. Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование излучателя Вивальди, работающего в режиме излучения импульсного сигнала, в частности:
Электродинамический анализ основных энергетических характеристик излучателя (коэффициента полезного действия (КПД), энергетического коэффициента направленного действия (ЭКНД), энергетического коэффициента усиления (ЭКУ)) и выявление закономерностей поведения характеристик с изменением длительности, формы возбуждающего импульса, а также геометрии излучателя;
определение размеров антенны и длительности импульса, при которых излучатель обладает наилучшей энергетической эффективностью, выработка рекомендаций к проектированию;
исследование кроссполяризационных эффектов излучателя и их количественная оценка;
сравнительный анализ характеристик излучателя Вивальди с другими видами импульсных антенн.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
произвести расчет энергетических характеристик для различных геометрий излучателя, форм и длительностей возбуждающего импульса, выполнить обобщение полученных результатов; выявить закономерности поведения энергетических характеристик;
сформулировать рекомендации, на основе которых можно проводить разработку антенн Вивальди с требуемыми энергетическими свойствами;
выполнить проектирование и разработку излучателей Вивальди;
разработать экспериментальную методику анализа фидерного КПД импульсных антенн;
8 - провести сравнительный анализ энергетических характеристик антенны Вивальди с излучателями другого класса. Объекты и методы исследований. Объектом исследования является антенна Вивальди, предназначенная для формирования импульсного излучения. При решении задач, поставленных в диссертации, использовался численный электродинамический метод конечного интегрирования (FIT), а также экспериментальные методы анализа.
Достоверность научных и практических результатов. Выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, подтверждаются адекватностью применяемых математических моделей, хорошим согласием теоретических результатов и натурных экспериментов, сопоставлением с результатами полученными другими авторами.
Научная новизна диссертационной работы заключается:
в количественном описании энергетических свойств излучателя Вивальди, возбуждаемого СКИ и СШП сигналами;
в выявленных закономерностях поведения энергетических характеристик антенны Вивальди с изменением ее геометрии и длительности возбуждающего импульса;
в исследовании кроссполяризационных эффектов излучателя Вивальди в импульсном режиме.
Научные положения, выносимые на защиту:
При соотношении сторон антенны Вивальди меньше единицы энергетический коэффициент направленного действия растет монотонно с увеличением длины, нормированной к пространственной длительности импульса, если ширина раскрыва щелевой линии существенно больше длины - имеет максимум.
Значение фидерного КПД антенны Вивальди инвариантно, в пределах допустимой погрешности, к изменению закона расширяющейся щелевой
9 линии от экспоненциального до линейного, при оптимальном выборе сопротивления источника. 3. Энергия кроссполяризационного излучения антенны Вивальди максимальна при равенстве пространственной длительности возбуждающего импульса и длины излучателя.
Практическая значимость результатов работы заключается в:
выработанных рекомендациях по выбору геометрий излучателя, позволяющих обеспечить требуемую длительность, энергетику и поляризационные свойства излучаемого антенной импульса;
возможности корректно пользоваться уравнением дальности при расчете характеристик импульсных систем, использующих антенны Вивальди (дальность работы, потребление, КПД);
сопоставлении энергетических характеристик антенны Вивальди и других типов импульсных антенн.
Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были получены в процессе выполнения хоздоговорных НИР, проводимых в 2003 -2006 годах на кафедрах, теоретических основ радиотехники и радиоэлектронных средств СПбГЭТУ «ЛЭТИ», в частности в работах:
разработка многочастотных антенн для «РАТАН-600»;
исследование и разработка сверхширокополосных печатных антенн.
Материалы диссертации (теоретические и практические) внедрены в разработки кафедры ТОР и РЭС СПбГЭТУ «ЛЭТИ», нашли реализацию в экспериментальных макетах радиосистем заказчика, читаются в спецкурсе «Теория и проектирование современных антенных систем».
Апробация работы. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на:
59, 60, 61, 62 научно-технических конференциях НТОРЭС им. Попова, посвященных дню радио (Санкт- Петербург, апрель, 2004, 2005, 2006, 2007 годов);
политехническом симпозиуме (Санкт-Петербург 2004 г);
конференции по актуальным проблемам радиоэлектроники и телекоммуникаций (СГАУ, Самара, 2004 г.);
международной конференции по волновой электронике «VII International Conference for young researchers: Wave Electronics and its application in information and telecommunication systems», St. Petersburg, 2004;
14-й международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Crirnico-2004), Севастополь, Украина;
6-ом и 7-ом международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (ЕМС-2005, ЕМС-2007), Санкт-Петербург, 2005, 2007;
XI и XIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (RLNC-2005, RLNC-2007), Воронеж, ВГУ. На конференции 2005 года доклад с названием «Расчет энергетических характеристик антенн в режиме возбуждения сверхкороткими импульсами» был удостоен диплома за лучший доклад;
«Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, КГУ, 2005 и 2006 годов;
международной конференции «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике», 2005 г., Суздаль, Россия;
научно-технических конференциях профессорского - преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 г.;
научно техническом семинаре «Современные проблемы техники и электроники СВЧ» СПбГЭТУ, 2005, 2006, 2007 г.;
- 3-ей международной конференции «Ultrawideband and ultrashort impulse
signals» (UWBUSIS-2006), Sevastopol, Ukraine. Результаты работы автора отмечены дипломами и грантами 12-ти конкурсов, среди которых конкурс стипендий президента РФ 2006 г., конкурс научных проектов аспирантов и докторантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2005, 2006 годов. Часть работы выполнена при поддержке гранта правительства Санкт-Петербурга 2004 года, Шифр гранта: М04-3.9Д-256..
. Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, из них - 7 статей (5 статей, опубликованных в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, определенных ВАК), 18 работ - в сборниках трудов и материалов научно-технических конференций.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 92 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 145 рисунков и 1 таблицу
Энергетический коэффициент направленного действия импульсных антенн
На основе КПД и ЭКНД импульсной антенны возможно введение более общей характеристики, отражающей энергетическую эффективность импульсных антенн - энергетический коэффициент усиления (ЭКУ) [15,16]. По аналогии с КУ антенн, работающих в режиме излучения синусоидальных сигналов, в импульсном режиме он определен как произведение энергетического коэффициента направленного действия (ЭКНД) на КПД импульсной антенны: GS-DSJ . Отличием характеристики, от существующих в теории импульсных антенны, является то, что в случае гармонического воздействия ЭКУ совпадает с монохроматическим коэффициентом усиления. Другими словами ЭКУ это обобщение классического монохромотического КУ для случая несинусоидального воздействия. Несмотря на физичность и практическую значимость данной характеристики, на сегодняшний день она не стала общепринятой и является дискуссионной.
Анализ литературы демонстрирует полное отсутствие работ, в которых была бы приведена информация о ЭКУ импульсной антенны, возбуждаемой СКИ. При этом существуют работы, в которых для количественного описания энергетических свойств импульсных антенн используется монохромный КУ рассчитанный на одной дискретной частоте, и на основе данного расчета делаются выводы об энергетики антенны, работающей с СКИ.
Известны различные формы уравнения дальности для несинусоидальных сигналов, представленные в работах X. Ф. Хармута, Л.Ю. Астанина и А.А Костылева, В.Б.Авдеева, Н. В. Зернова [1, 2, 14, 17]. В наиболее интересной и строгой работе [14] подробно обсуждаются особенности уравнения дальности и способы вычисления составляющих, входящих в него, отмечается ряд существенных неточностей в формулировках и степень общности формы полученных разными авторами результатов. Не затрагивая подробно вопрос о сравнительных оценках форм уравнений дальности, и основываясь на результатах работ [14, 17], будем использовать уравнение дальности простого (без рассеяния) канала связи в виде: W =- і 2., (6) ПРМ Ак-г2 где Ds- ЭКНД передающей антенны; А - эффективная энергетическая площадь (ЭЭП) приемной антенны, м ; г - дальность канала связи, м; W - энергия импульса на нагрузке приемной антенны, Дж; пад- энергия сигнала на входе передающей антенны, Дж; Цх,Цг- коэффициенты полезного действия передающей и приемной антенн, соответственно. Исходя из материалов работ [14, 17], эффективная энергетическая площадь приемной антенны имеет следующее определение: А= Iim (w Л прм w(r) (7)
Для . описания эффективности приемо-передающей системы, целесообразно введение эффективного энергетического момента (ЭЭМ), характеризующего энергетическую эффективность излучения и приема в канале связи, определяющегося по формуле:
Энергия на нагрузке приемной антенны в системе может быть представлена через ЭЭМ очевидным образом: прм = Т (9)
Из . представленного материала видно, что для расчета системных характеристик необходимой является информация об ЭЭП, ЭКНД и КПД излучателя. Кроме того, энергетические характеристики позволят проводить оптимизацию излучателей, их объективное сравнение при работе в импульсном режиме.
Рассмотрим подробнее существующие методы расчета импульсных излучателей. Очевидно, что существует два возможных подхода к определению характеристик излучателей в импульсном режиме: частотный и временной. Они являются дуальными и дают одинаковый результат. Выбор между ними зависит от вида решаемой задачи и конфигурации объекта исследования.
1) Частотный подход заключается в определении излучаемого и отраженного сигнала при возбуждении излучателя стационарным гармоническим сигналом определенной частоты. Затем, проводя аналогичный анализ для нескольких частот и преобразуя полученные результаты при помощи преобразования Фурье можно получить интересующие временные зависимости. Методы определения характеристик излучателя в частотной области достаточно развиты и широко используются при разработке современных устройств основными из них являются FEM-метод для объемных структур, являющеийся разновидностью метода моментов. Многократный анализ излучателя на нескольких дискретных частотах и дальнейшее преобразование полученных характеристик во временную область является весьма трудоемкой задачей, которая предъявляет высокие требования к системным ресурсам и приводит к значительным временным затратам. Методом моментов было проведено решение задачи поиска временной зависимости излучаемого поля в работах [18-20]; в них проводилось решение интегрального уравнения Поклингтона для тока линейного вибратора методом моментов, на основе полученного тока рассчитывались частотные функции полей в дальней зоне. А затем, на основе преобразования Фурье, они пересчитываются во временную область, в результате появилась возможность рассчитать излучаемую мощность и энергию сигнала во времени. 2) Временной подход к определению свойств излучателя, по-видимому, является более перспективным для исследования широкополосных устройств. Метод заключается в нахождении численного решения интегро-дифференциального пространственно-временного уравнения, удовлетворяющего граничным условиям на поверхности излучателя, при этом возбуждающий сигнал представляет собой короткий импульс. В результате анализа рассчитывается пространственно-временная зависимость тока либо поля на поверхности и в дальней зоне излучателя. Недостатком первого подхода является необходимость многократного решения задачи на нескольких дискретных частотах. От чего свободен второй, в котором находится временная реакция лишь на один импульс возбуждения. Процедура решения в данном случае становится сложнее, чем при анализе в частотной области, задача не сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений.
Влияния сопротивления источника на фидерный КПД излучателя Вивальди
При проектировании импульсных систем перед разработчиками встает вопрос выбора сопротивлений источника СКИ или геометрий излучателя, позволяющих обеспечить наилучшую энергетику излучаемого импульса. Оказывается, что в литературе ответ на этот, казалось бы, очевидный вопрос отсутствует. Выработка рекомендаций, на основе которых можно будет выбрать эти параметры для излучателя Вивальди, является целью настоящего раздела. Результаты, полученные в настоящей главе, позволяют определить диапазон сопротивлений источника и длительностей возбуждающего импульса, при которых реализуется наилучшая энергетическая эффективность антенны.
КПД излучателя полностью определяется переходными процессами в питающей линии, для начала рассмотрим временные зависимости сигналов в фидере. На рис. 15-рис. 17 представлены временные зависимости возбуждающего импульса и отраженного сигнала. Отношение продольной длины излучателя к пространственной длительности гауссова моноимпульса (ta/ti) равно 1,5; 0,68; 0,38 для рис. 15-рис. 17 соответственно. Параметр ta/ti является аналогом электрической длины излучателя в монохроматическом режиме. По оси абсцисс откладывается момент наблюдения, нормированный к пространственной длительности продольной длины излучателя. Параметр, ответственный за форму расширяющейся щелевой линии, одинаков (а=1) для всех приведенных зависимостей. Разные кривые на каждом из графиков соответствуют различным волновым сопротивлениям питающей линии.
Форма отраженного сигнала существенно зависит от волнового сопротивления и электрической длины излучателя (ta/ti), на всех трех графиках отчетливо видны два основных промежутка времени в которые происходит основное отражение импульсного сигнала в линию. Прежде всего, это промежуток, соответствующий моменту входа импульса в расширяющуюся щелевую линию излучателя. Видно, что волновое сопротивление питающей линии оказывает существенное влияние на уровень отраженного сигнала в этот момент. Интересно, что существует некоторое сопротивление, при котором отраженный сигнал в момент входа импульса в излучатель, существенно уменьшается. Второй промежуток времени с высоким уровнем отраженного сигнала отстает больше чем на 2.5 ta от момента входа импульса в излучатель. Эта длительность близка к удвоенной длине излучателя и соответствует отражениям сигнала от конца расширяющейся щелевой линии. Сопротивление питающей линии не оказывает существенного влияния на уровень отражения в эти моменты сигнала. Для подтверждения данных электродинамического расчета были выполнены экспериментальные исследования различных геометрий излучателя Вивальди, некоторые из которых приводятся на фотографии (рис. 18).
Фотография экспериментальной установки приведена на рис. 19. Исследования были выполнены для монопольного варианта излучателя на основе косвенного метода, который заключается в следующем.
Фидерный КПД излучателя рассчитывался на основе частотных зависимостей комплексного коэффициента отражения „(ЯН ,,(/) l-e 11 0, в широкой полосе частот Экспериментальные зависимости измерены с помощью векторного анализатора цепей HP 8720В, позволяющего измерять модуль и фазу коэффициента отражения. Энергии падающего и отражённого сигналов для N точек полученной частотной зависимости Sn(f) могут быть приближённо найдены на основе соотношений:
Экспериментальные и расчетные зависимости сигнала отраженного в питающую линию излучателя представлены на рис. 20-рис. 22. Каждый график соответствует своему значению а от 1 до ОД. Из приведенных кривых наблюдается хорошее совпадение результатов эксперимента и расчета. Значительное влияние на форму отраженного сигнала в начальный момент времени оказывает закон изменения щелевой линии, более отчетливо это прослеживается на рис. 23, где приведены расчетные зависимости сигнала в фидере для различных значений а. На уровень отраженного сигнала, при постоянстве сопротивления источника, заметное влияние оказывает форма расширяющейся щелевой линии. При сс«1 и сопротивлении 50 Ом энергия отраженного сигнала минимальна, уменьшение а приводит к росту сигнала, отраженного от входа излучателя.
Из вышеприведенных кривых вытекает, что на энергию отраженного от входа импульсного сигнала, существенное влияет сопротивление питающей линии и геометрические параметры излучателя, при этом видно, что для реализации низкого уровня отраженного сигнала они должны находиться в тесной связи. Исходя из чего, очевидна необходимость расчета КПД излучателя и выявление закономерностей влияния на него сопротивления питающей линии, длительности и формы возбуждающего сигнала, а также геометрии структуры.
На рис. 24-рис. 25 представлен КПД излучателя в зависимости от волнового сопротивления линии, параметром является коэффициент а. Возбуждение антенны производится гауссовым импульсом. На каждом рисунке присутствует два семейства кривых для параметра ta/ti равного 1,5 и 0,68.
Прежде всего, из приведенных зависимостей интересен максимум, наличие которого прослеживалось еще при анализе форм сигнала отраженного от входа излучателя. Он свидетельствует о существовании оптимального волнового сопротивления питающей линии для заданной геометрии излучателя, при этом нормированная длина излучателя незначительно влияет на положение экстремума на оси сопротивлений. Излучатели с малыми а менее чувствительны к сопротивлению линии и при одинаковых значениях КПД требуют более высоких сопротивлений (в монопольном случае для а=0,1 сопротивление равно 180 Ом). Вопросам влияния нормированной пространственной длительности излучателя на его КПД посвящен следующий раздел, здесь хотелось лишь отметить, что КПД падает при снижении пространственной длительности импульса. Данный факт хорошо согласуется с представленными ранее временными зависимостями сигнала в питающей линии.
Форма сигнала, излучаемого антенной Вивальди при возбуждении СКИ
Импульсный характер излучаемого поля приводит к существенным трудностям при описании импульсных антенн. В отличие от монохромных сигналов, здесь форма излучаемого импульса существенно зависит от угла наблюдения, геометрия излучающего раскрыва оказывает существенное влияние на форму излучаемого импульса. Для некоторых систем, форма излучаемого импульса чрезвычайно важна. К примеру, в СКИ радиолокационных системах различного назначения оптимизация формы сигнала позволяет добиться увеличения разрешающей способности системы. Однако, недопустимо когда авторы, демонстрируя увеличение разрешающей способности, не говорят, как ухудшаются энергетические свойства антенны. С другой стороны, известны применения СКИ в системах радиопротиводействия, в которых форма излучаемого импульса не имеет существенного значения, а интересна лишь его энергия [101]. Далее рассматривается поведение импульсных полей излучаемых антенной Вивальди и исследуется влияние геометрии и длительности возбуждаемого сигнала на угло-временные характеристики. В разделе показано, что форма импульса, излучаемого антенной Вивальди, близка к импульсным характеристикам широко используемых импульсных антенн {ТЕМ - рупор, биконический вибратор).
Излучатель в системе координат изображен на рис. 49. Угломестная составляющая вектора напряженности электрического поля излученного антенной Вивальди, в направлении 9=90, ср=0, при возбуждении гауссовым импульсом приведена на рис. 50. Длительность возбуждающего сигнала (і здесь в полтора раза меньше длины излучателя, нормированной к скорости света (ta=d/c), параметром на кривой является переменная, определяющая форму расширяющейся иіелевой линии а. По оси абсцисс отложено время, нормированное к длине излучателя отнесенной к скорости света. Задержка сигнала связанная с распространением импульса до точек, в которых анализируется поле, из зависимости изъята. Пиковая амплитуда падающей на излучатель волны (от источника), для различных геометрий, сохранялась неизменной и равной 1 VBT .
Амплитуда и энергия поля в нормальном направлении со снижением параметра а уменьшается. Основные причины его вызывающие - различный КПД излучателя при изменении а (сопротивление источника, при построении зависимости, сохранялось постоянным), об этом говорилось в предыдущей главе. Кроме того, направленные свойства излучателей отличаются, следовательно, и ЭКНД для каждой структуры будет различен. Именно произведение этих величин - энергетический коэффициент усиления (ЭКУ) и определяет энергию излучаемого импульса. На основе данной зависимости можно сделать вывод, что ЭКУ излучателя с а=0.1 ниже, чем при более высоких значениях а. Подробно о поведении ЭКУ с изменением параметров структуры будет рассказано в следующем разделе.
Переходной процесс в нормальном направлении излучателя имеет длительность близкую к продольному размеру, отнесенному к скорости света. Видно, что амплитуда «хвостов» в худшем случае в 5 раз меньше чем амплитуда основного импульса. Такое поведение излучаемого поля весьма цениться в радиолокационных и системах подповерхностного зондирования, так как отклики от различных объектов не будут затенять друг друга. Из анализа литературы [102] видно, что форма поля, излученного антенной Вивальди в нормальном направлении, близка к сигналам, излучаемым антеннами, хорошо зарекомендовавшими себя в СКИ приложениях - ТЕМ рупорам, биконическим антеннам, и.т.д.
Отклонение угла наблюдения в угломестной плоскости на 30 градусов приводит к расширению излучаемого импульса (рис. 51). Вместе с тем заметно и снижение его амплитуды, судить об изменении энергии импульса на основе приведенных данных затруднительно, так как вместе с падением амплитуды происходит и его расширение, но все таки для излучателя с а=1 наблюдается снижение энергии поля, излучаемого в этом направлении по отношению к энергии в нормальном направлении. излучаемого поля претерпевает еще большее уменьшение, длительность импульса при этом существенно увеличивается (рис. 52).
Анализ формы сигнала для различных углов наблюдения в азимутальной плоскости обнаруживает меньшее влияние азимутального угла, чем угла места, на амплитуду и форму излучаемого импульса (рис. 53). Отличие в форме импульсов различных геометрий излучателя становится менее заметным.
Для (р=120 градусов (рис. 54) (обратная полусфера) форма импульса имеет более сложную структуру. Для малых значений сс=0,2 она слабо отличается от импульса в нормальном направлении, а вот для сс=1 возникает еще один отклик, по амплитуде близкий к первому импульсу.
Далее представлены зависимости, отличающиеся от предыдущих электрической длиной (ta/ti=0,76). Динамика поведения кривых в целом повторяет зависимости для более высоких отношений ta/ti. Длительность переходного процесса увеличилась в соответствии с изменением длительности импульса, которая близка к 1,3 продольной длительности излучателя.
Приведенные зависимости демонстрируют значительное влияние геометрии и угла наблюдения на энергетику излучаемого импульса. Однако не позволяют количественно оценить энергетические соотношения между различными структурами и выбрать оптимальные, с энергетических позиций, режимы работы антенн. Это подталкивает к более широкому анализу энергетических характеристик структуры, и в частности анализу энергетического коэффициента направленного действия речь о котором пойдет в следующем разделе.
Экспериментальный анализ характеристик антенны Вивальди в монохроматическом режиме
Антенна, речь о которой пойдет в настоящем разделе, является результатом работы научной группы состоящей из сотрудников кафедр ТОР и РЭС СПбГЭТУ и возглавляется профессором Головковым А. А.. Изначально разработка антенны велась для решения задач радиоастрономии. Впоследствии конструкция использовалась для излучения и приема импульсных сигналов в СКИ системах, разработка которых ведется в НИЛ РОС СПбГЭТУ. Результаты разработки антенны и ее фидерной системы приводятся в работах [60-66]. Процитируем основные их результаты.
Модифицированный узел питания антенны, реализованный на основе двухпроводной линии, подробно описан в раннее приведенных работах. Конструктивно антенна выполнена на материале FR-4 толщиной 2мм и диэлектрической проницаемостью є=4.4. Общие размеры подложки составляют 340 260 мм (рис. 92). На рис. 93 показана экспериментальная частотная зависимость модуля коэффициента отражения антенны. Светлая кривая соответствует случаю когда за антенной находится отражающий рефлектор с размером 440 140 мм . Из графика видно, что в полосе частот 0,5-8,0 ГГц коэффициент отражения практически не превышает уровня -10 дБ.
На рис. 94 и Рис. 95 представлены диаграммы направленности антенны вЯ иЯ- плоскостях на дискретных частотах лежащих в диапазоне 0,7-4,0 ГГц для основной и кроссполяризационной составляющей поля. Измерения проводились в безэховой камере ВЧ 35533 (Москва). На частоте 2,5 ГГц ширина главного лепестка по уровню -3 дБ составляет 53 (Е - плоскость) при уровне кроссполяризации -22 дБ, причем ширина основного лепестка излучателя в Е-плоскости уже, чем в Н-плоскости, что обусловлено планарностью структуры. Аналогичные измерения были проведены на базе безэховой камеры Хельсинского технического университета (Финляндия).
Из приведенных графиков видно, что с ростом частоты направленность излучателя заметно повышается. Зависимости не дают информации об изменении коэффициента усиления антенны в полосе частот, ввиду отсутствия калибровочных измерений, однако расчеты показывают его небольшой рост с увеличением частоты. Отношение вперед/назад составляет 12 дБ (2,5 ГГц).
Результаты измерений в синусоидальном режиме еще раз подчеркивают что антенна Вивальди хорошо подходит для излучения импульсных сигналов. Полевые характеристики антенны в целом совпадают с характеристиками для излучателей этого типа приведенными в других работах. При этом антенн, демонстрирующих аналогичные диапазонные свойства по согласованию, автору неизвестно.
Далее приводятся результаты исследований системы из приемной и передающей антенн Вивальди в импульсном режиме, разнесенных на расстояние 5 м в лабораторных условиях. Передающая антенна возбуждалась генератором импульсов с формой сигнала близкой к гауссовой и длительностью по уровню 1/10 равной 1,8 не (ta/ti=0,36) (рис. 96).
С помощью стробоскопического осциллографа, подключенного непосредственно к приемной антенне, наблюдались временные зависимости выходного сигнала при различных угловых положениях передающей антенны, при вертикальной и горизонтальной ориентации излучателей.
На рис. 97 приведены выходные сигналы для нескольких угловых положений передающей антенны в составе канала связи при вертикальной ориентации антенн (Я - плоскость). На рис. 98 представлены аналогичные характеристики, измеренные при горизонтальной ориентации антенн (Е -плоскость).
В рамках экспериментальных измерений в импульсном режиме проведено исследование излучателя при воздействии гауссовым импульсом с длительностью 1 не (for/W=0,683). Проведены исследования формы напряжения на нагрузке приемной антенны для нескольких угловых направлений в Я-плоскости (рис. 99). Полученные данные хорошо совпадают с результатами электродинамического моделирования. Всплески, наблюдаемые на осциллограмме в моменты времени 9 не (пространственная задержка около 1м), обусловлены переотражениями сигнала, т.к измерения проводились в эховых условиях. Рис. 100 демонстрирует форму сигнала на нагрузке приемной антенны при работе в ортогональном режиме, т.е. когда передающая антенна расположена в горизонтальном положении (Я-плоскость), а приемный излучатель вертикально (Я-плоскость).
