Содержание к диссертации
Введение
1. Излучатели мощных электромагнитных импульсов .14
1.1. Введение 14
1.2. Факторы, влияющие на искажение формы излученного импульса 15
1.2.1. Электрический диполь Герца 15
1.2.2. Магнитный диполь Герца 20
1.2.3. Произвольная антенна 21
1.3. Способы расширения полосы пропускания антенн 23
1.3.1. Частотно независимые антенны 23
1.3.2. Расширение полосы согласования дипольных антенн 23
1.3.3. Комбинированные антенны 25
1.3.4. ТЕМ антенны 29
1.3.5. IRA антенны 30
1.4. Мощные источники СШП излучения 32
1.4.1. История вопроса. 32
1.4.2. Конструктивные особенности источников СШП излучения 34
1.4.3. Источники СШП излучения с ТЕМ антеннами 36
1.4.4. Источники СШП излучения с IRA 37
1.4.5. СШП источники с другими типами излучателей 38
1.5. Выводы 40
2. Методы расширения полосы пропускания сверхширокополосных излучателей 42
2.1. Введение 42
2.2. Полоса пропускания линейного излучателя 42
2.3. Численное моделирование комбинированных излучателей 48
2.4. Численное моделирование характеристик направленности V-диполя 61
2.5. Выводы 66
3. Экспериментальные исследования комбинированных излучателей 69
3.1. Введение 69
3.2. Конструкции комбинированных излучателей 69
3.2.1. Комбинированные антенны 69
3.2.1. Комбинированные антенны с расширенной полосой пропускания 71
3.3. Методики антенных измерений 73
3.3.1. Методики антенных измерений в частотной области 73
3.3.2. Методики антенных измерений во временной области 76
3.4. Характеристики комбинированных антенн 84
3.4.1. Характеристики комбинированных антенн в частотной области ... 84
3.4.2. Характеристики комбинированных антенн во временной области 95
3.5. Выводы 101
4. Использование комбинированных антенн в мощных источниках СШП импульсов 103
4.1. Введение 103
4.2. Источники мощных СШП импульсов с комбинированными антеннами 103
4.3. Использование комбинированной антенны с расширенной полосой пропускания в мощном источнике СШП излучения 113
4.4. Выводы 118
Заключение 119
Список использованной литературы 123
Приложение 134
- Расширение полосы согласования дипольных антенн
- Численное моделирование характеристик направленности V-диполя
- Характеристики комбинированных антенн в частотной области
- Использование комбинированной антенны с расширенной полосой пропускания в мощном источнике СШП излучения
Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие импульсной и антенно-фидерной техники в различных лабораториях мира, позволило создать источники сверхширокополосного (СШП) излучения нано- и субнаносекундной длительности, перспективные для использования в различных областях науки и техники. Возможные применения таких источников - это подземная радиолокация и поиск мин, радиолокация лесных массивов и аэрокосмических объектов, воздействие на объекты и среды, в том числе биологические, электромагнитная совместимость. Преимуществами СШП радиолокации являются высокая разрешающая способность, вследствие короткой длительности импульса, и увеличение информативности излучения, рассеянного объектами, обусловленное большой шириной спектра. Для целей радиолокации аэрокосмических объектов на расстояниях до 100 км необходимы источники СШП излучения с длительностью ~1 не и пиковой мощностью 1-ЮГВт [1,2]. Существующие в настоящее время мощные источники СШП излучения строятся по схемам: один генератор - одна передающая антенна [3-5], один генератор - антенная решетка [6-8] либо -антенная решетка, каждый элемент которой возбуждается своим генератором [9,10]. Антенные решетки с управляемым временем задержки входного импульса на каждом элементе (сканирующие антенные решетки) являются, вероятно, самыми перспективными излучателями для радиолокационных систем. К элементу такой антенной решетки предъявляются жесткие, порой противоречащие друг другу требования. Элемент должен быть компактным. Диаграмма направленности должна быть однонаправленной и характеристики излучения должны быть максимально близкими для возможно больших углов отклонения от направления главного максимума в рабочем полупространстве. Кроме того, антенна должна иметь полосу пропускания, достаточно большую
для эффективного излучения возбуждающих импульсов и высокую электрическую прочность для излучения мощных импульсов!
Известные и широко применяемые в настоящее время излучатели мощных СШП импульсов не удовлетворяют всей совокупности этих требований.
Состояние вопроса. Традиционно антенны делятся на узкополосные, широкополосные и диапазонные или частотно независимые [11]. Однако, многие из известных широкополосных и диапазонных антенн не пригодны для малоискаженного излучения СШП импульсов в связи с зависимостью положения фазового центра антенны от частоты. К таким антеннам относятся спиральные и логопериодические антенны. Биконическая антенна в полосе частот не менее двух октав сохраняет стабильные характеристики направленности, поляризационную характеристику, стабильный фазовый центр и постоянное входное сопротивление. Но диаграмма направленности (ДН) биконической антенны и толстого диполя равномерна в плоскости перпендикулярной оси'диполя, что ограничивает их применение в качестве излучателей направленных СШП импульсов.
В качестве излучателей мощных СШП импульсов в настоящее время широко используются ТЕМ антенны и IRA (Impulse Radiating Antenna). Вопрос создания СШП сканирующей антенной решетки, где в качестве элемента решетки используется IRA, обсуждается в [12]. Указывается на теоретическую возможность создания такой системы для радарных и других приложений с установкой на воздушных судах и космических кораблях. Однако, информацию о реальных IRA решетках обнаружить не удалось.
Антенные решетки, выполненные на основе ТЕМ антенн, известны по работам [6,10,13-15]. К недостаткам таких антенных решеток можно отнести большие габаритные размеры излучателя и малые углы сканирования [14,15].
Необходимость создания компактных СШП антенн подчеркивается в [12]. Требования к источникам микроволнового излучения это - компактность,
малый вес и высокая излучаемая мощность. Таким образом, необходимо уменьшать размеры и вес всех подсистем, составляющих 'СШП источник, и одновременно увеличивать выходную пиковую мощность при высокой частоте повторения импульсов. Развитие технологии твердотельных генераторов дает основание для решения энергетической части задачи. Компактная СШП антенна, которая обеспечивала бы высокую эффективность излучения СШП импульсов и широкую полосу пропускания - является следующей проблемой, с которой сталкиваются разработчики компактных источников СШП излучения.
Развитие техники генерирования мощных нано- и субнаносекундных импульсов на основе газовых коммутаторов [16, 17] позволило создать источники мощных импульсов с амплитудой напряжения ~100кВ. Следует отметить, что генераторы с использованием газовых разрядников позволяют получать импульсы субнаносекундного диапазона с большей мощностью, чем твердотельные. Таким образом, в настоящее время имеется энергетическая основа для разработки мощных источников СШП излучения.
Исходя из вышесказанного, целью работы является исследование влияния комбинаций излучателей электрического и магнитного типов, а также ТЕМ рупора на характеристики СШП излучения комбинированных антенн и создание на их основе компактных излучателей мощных электромагнитных импульсов.
Методы проведения исследования. При решении поставленных задач использовались методы электродинамики и спектрального анализа. Для проверки работоспособности предложенных подходов использовались численное моделирование и натурные эксперименты.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Комбинация электрических и магнитных излучателей в антенне
уменьшает запас реактивной энергии в ближней зоне и позволяет расширить
полосу согласования, получить кардиоидную диаграмму направленности, а
также реализовать комбинированные антенны (электрический монополь и
магнитный диполь с общим входом) с размерами L = 0.17/Ін (Лн - длина волны, соответствующая нижней граничной частоте полосы ' согласования) и частотным перекрытием 10:1 по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению <3 для источников излучения с пиковой мощностью 100 МВт с одиночной антенной и 1 ГВт с четырехэлементной антенной решеткой.
Условием нахождения пиковой мощности сверхширокополосного излучения является знание коэффициента эффективности излучателя по пиковой мощности, который вычисляется по результатам измерений амплитудно-временных зависимостей входного и отраженного от антенны импульсов, а также пространственно-временных зависимостей импульсов поля в дальней зоне и пригоден для сравнения сверхширокополосных излучателей различного типа, а также для оценки пиковой напряженности поля в дальней зоне.
Стабилизация положения максимума диаграммы направленности комбинированной антенны путем включения в ее состав элемента в виде ТЕМ рупора обеспечивает как сдвиг верхней границы полосы пропускания в область высоких частот в 3-4 раза так и увеличение эффективности по пиковой мощности в 1.3-1.8 раза.
Полоса пропускания (частотное перекрытие) комбинированных антенн с ТЕМ рупором в направлении главного максимума диаграммы, достигает 5:1 и более чем в двое шире полосы пропускания комбинированных антенн без ТЕМ рупора, а при отклонении от максимума на ±45 в главных плоскостях ширина полосы пропускания всех комбинированных антенн близка к 2:1.
Достоверность результатов первого и четвертого защищаемых положений подтверждаются использованием в измерениях поверенного прибора Agilent 8719ЕТ Network Analyzer (с рабочей полосой частот 0.05 -13.5 ГГц), обеспечивающего высокую точность измерений частоты, амплитудных значений КСВН, затухания и фазы.
Достоверность результатов второго и третьего защищаемых положений подтверждаются использованием в измерениях поверенных цифровых осциллографов фирмы Tektronix TDS7404 и TDS6604 с полосой пропускания 4 и 6 ГГц, аттенюаторов и переходников фирмы Radial с полосой пропускания 18 ГГц, обеспечивающих высокую точность измерения амплитудно-временных значений наносекундных импульсов.
Кроме того, достоверность результатов третьего положения подтверждается совпадением в пределах 10% измеренного в эксперименте пикового значения напряженности электрического поля Ер и расчетного значения Ер, полученного на основе расчета эффективности по пиковой мощности кр.
Научная новизна. Реализована идея комбинации излучателей электрического и магнитного типов в компактной комбинированной антенне с общим входом и предназначенной для эффективного излучения мощных электромагнитных импульсов, что привело к появлению нового класса мощных СШП излучателей в дополнение к уже известным ТЕМ антеннам и IRA.
Была впервые предложена методика оценки эффективности СШП антенн по пиковой мощности.
Научная ценность. .Важным является факт, что при изменении геометрии верхних активного и пассивного магнитных диполей путем изменения положения разделяющей их пластины изменяются моменты токов, что, в свою очередь, приводит к изменению согласования комбинированной антенны с фидером и характеристик излучения. Благодаря найденным в эксперименте зависимостям энергетической эффективности антенн и пиковой напряженности электрического поля в импульсе излучения, а также полученным зависимостям ширины диаграммы направленности от геометрии магнитных диполей обнаружен механизм настройки антенн удобный тем, что в антенне меняется геометрическое положение только одного настроечного элемента, при этом габаритные размеры остаются неизменными.
Благодаря конструктивному решению использования в комбинированных антеннах излучателя электрического типа в виде ТЕМ' рупора, удалось значительно увеличить полосу пропускания антенн в направлении главного максимума излучения.
Практическая значимость.
1. Комбинированные антенны позволяют излучать электромагнитные
импульсы гигаваттного уровня мощности благодаря высокой электрической
прочности и возможности использования элегазовой (SF6) изоляции.
2. Комбинированные СШП антенны пригодны к использованию в мощных
источниках с электронным управлением диаграммой направленности
излучения, т.к. удовлетворяют требованиям, предъявляемым к элементу
сканирующей СШП решетки.
3. Оценка эффективности антенн по пиковой мощности позволяет
сравнивать разные антенны и рассчитывать пиковую напряженность
электрического поля антенн в дальней зоне.
Совмещение комбинированного излучателя с ТЕМ рупором позволило увеличить межэлектродные зазоры в антенне на 70% и реализовать источник с пиковой мощностью излучения ~ 170 МВт при длительности возбуждающего биполярного импульса 1 не.
В комбинированных антеннах с ТЕМ рупором электрический монополь гальванически соединен с корпусом, что существенно упрощает конструкцию высоковольтного генератора, входящего в состав источника СШП излучения.
6. Комбинированные передающие антенны с ТЕМ рупором в режиме
приема обеспечивают с высокой чувствительностью малоискаженную
регистрацию СШП сигналов, рассеянных от объектов, вследствие широкой
полосы пропускания.
Внедрение результатов работы. Разработанные в ходе исследований комбинированные СШП излучатели и мощные источники СШП излучения на их основе использовались в различных исследованиях, в том числе по
электромагнитной совместимости. Перечисленные ниже отечественные и зарубежные организации использовали различные 'комбинированные излучатели или мощные источники СШП излучения, включающие в себя комбинированные излучатели:
Институт сильноточной электроники СО РАН (г. Томск);
Агентство оборонных исследований (г. Лондон, Великобритания);
Институт прикладной электроники Китайской академии инженерной физики (г. Меньян, КНР);
Шеньянский технологический институт (г. Шеньян, КНР);
Северо-западный институт ядерных технологий (г. Сиань, КНР);
Международные технологии по мощной импульсной технике (г. Тегра, Франция).
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на следующих научных конференциях: VI Int. Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (Lviv, Ukraine, 1996); SPIE Int. Symposium, Intense Microwave Pulses V Conference (San Diego, USA, 1997); 11-14th IEEE Int. Pulsed Power Conferences (Baltimore, USA, 1997; Monterey, USA, 1999; Las Vegas, USA, 2001; Dallas, USA, 2003); IV, VI Int. Conferences on Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics (Tel-Aviv, Israel, 1998; Annapolis, USA, 2002); рабочем совещании NATO ARW по современным исследованиям в области разминирования (Москва, Россия, 1997 г); Всероссийской научной конференции "Физика радиоволн" (Томск, Россия, 2002 г.); Всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике" (Муром, Россия, 2003 г.); III Международной научно-практической конференции "Электронные средства и системы управления" (Томск, Россия, 2005 г.); 14th Int. Symposium on High Current Electronics (Томск, Россия, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и 15 докладов на конференциях [64, 67-71, 73, 74, 78-85, 87-92].
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации получены лично автором, либо при его прямом участии. Автором* были проведены численные и натурные эксперименты и выполнен анализ полученных результатов, разработаны алгоритмы и программы обработки результатов измерений. Созданием мощных источников СШП излучения (Глава 4) занималась большая группа сотрудников ИСЭ СО РАН: Визирь В.А., Губанов В.П., Ефремов A.M., Зорин В.Б., Ковальчук Б.М., Коровин С.Д., Кошелев В.И., Кремнев В.В., Плиско В.В., Степченко А.С., Сухушин К.Н. Участие автора заключалось в создании СШП излучателей, исследовании их характеристик и характеристик излучения мощных СШП источников.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.
В главе 1 проводится анализ элементарных и комбинированных излучателей, возбуждаемых нестационарными токами. Подробно рассматриваются реализованные к настоящему времени мощные источники СШП излучения. На основе проведённого анализа обсуждается необходимость развития новых подходов по созданию компактных антенн на основе комбинации излучателей электрического и магнитного типов с учётом энергетических соотношений для электромагнитных полей вблизи излучателя и требований, предъявляемых к элементу сканирующей антенной решетки. В конце главы формулируются задачи исследования.
Расширение полосы согласования дипольных антенн
Полоса частот, в которой обеспечивается передача (прием) без существенных искажений всего спектра частот передаваемого (принимаемого) сигнала называется полосой пропускания антенны [25]. Полоса пропускания антенн определяется несколькими характеристиками: зависимостью комплексного входного сопротивления от частоты, стабильностью ДН, поляризационной характеристики и фазового центра от частоты.
Частотно независимые антенны Частотно независимые антенны обладают практически неизменными направленными свойствами и входным сопротивлением в широком диапазоне частот (10:1 и более) [25, 26]. В излучении всех частотно независимых антенн участвует только часть антенны (активная область). При изменении длины волны эта область перемещается вдоль антенны и, следовательно, положение фазового центра таких антенн зависит от частоты. Отсутствие стабильного фазового центра приводит к существенным дополнительным искажениям излученного СШП импульса, что делает спиральные и логопериодические антенны не пригодными для приема и излучения СШП импульсов.
Расширение полосы согласования дипольных антенн Для дипольных антенн, размеры которых не превышают длину волны Я, параметром наиболее сильно зависящим от частоты является входной импеданс, и полоса пропускания малогабаритных антенн определяется, в основном, полосой согласования. На практике используются три способа расширения полосы согласования дипольных антенн [25].
Первый способ заключается в снижении волнового сопротивления диполя. Данный подход реализуется путем увеличения размеров его поперечного сечения. Примером такого подхода увеличения полосы пропускания дипольных антенн является симметричный диполь Надененко. Полоса согласования такого диполя составляет 2.5:1 по уровню коэффициента бегущей волны (КБВ) 0.3. Высокий уровень КБВ 0.9 в фидере можно получить данным способом только в узкой полосе частот (примерно ±15%).
Второй способ заключается в плавном изменении поперечного сечения диполя. Антенна в этом случае рассматривается как плавный переход между фидером и свободным пространством. Примером является переход от двухпроводной симметричной фидерной линии к свободному пространству при помощи биконической антенны. Биконус бесконечной длины представляет собой однородную линию вдоль которой распространяются сферические ТЕМ волы без отражения. Входное сопротивление такой антенны равно волновому сопротивлению линии. Для биконической линии, состоящей из одинаковых конусов расположенных на одной оси, волновое сопротивление равно: где р - угол между осью конуса и его образующей. Следовательно, входное сопротивление бесконечной биконической антенны постоянно, не зависит от частоты и чисто активно [25,26]. Полоса согласования реального (ограниченного) биконического диполя составляет 4:1 по уровню КБВ 0.5.
Третьим способом является коррекция входного сопротивления диполя. Этот способ заключается в том, что антенна выполняется из двух частей, реактивные составляющие входных сопротивлений которых имеют различные частотные зависимости и компенсируют друг друга в некоторой полосе частот.
Данный способ был реализован в петлевом вибраторе Пистолькорса (шлейф-антенна или шлейф-вибратор по терминологии автора) [27-29]. В авторском свидетельстве преимуществом передающих шлейф-антенн указывалась возможность получения более низкого входного сопротивления, чем для волновых диполей. Также было указано, что входное сопротивление такой антенны слабо зависит от частоты, оставаясь при этом активным [27]. Как показано в [28], входное сопротивление полу волнового петлевого вибратора Za = 282 Ом и позволяет использовать в качестве фидера двухпроводную линию. Входное сопротивление петлевого вибратора уточнено в [29] и равно Za = 292 Ом.
Другим примером является шунтовой вибратор, предложенный Г.А. Айзенбергом. Активная составляющая входного сопротивления шунтового вибратора составляет 400-600 Ом. В фидере с волновым сопротивлением 500 Ом (двухпроводная линия) КБВ 0.3 в диапазоне частот 5:1. Шунтовой вибратор изготавливают с дополнительным использованием первого способа расширения полосы согласования дипольных антенн (плечи диполя выполняются из проводов, расположенных по образующим цилиндра) [25]. ДН шлейф-вибратора и шунтового вибратора практически такие же как и у простого полуволнового диполя.
Дальнейшее развитие данного способа возможно на основе исследования энергетических соотношений в ближней зоне комбинированного излучателя [30,31]. Детальное изучение пространственно-временного распределения плотности энергии электромагнитного поля в ближней зоне симметричного диполя позволило выделить следующие компоненты [30]: а) энергию, находящуюся в состоянии излучения Wx, средняя за период плотность мощности которой определяется средним за период значением вектора Пойнтинга П и которая на больших расстояниях от антенны является преобладающей; б) реактивную энергию Wp, равную разности между магнитной Wm и электрической We энергиями, . запасенными в объеме ближней зоны Гбз антенны. Эта энергия периодически переходит из ближней зоны в фидер и обратно и определяет мнимую часть потока вектора Пойнтинга через сечение вх, соответствующее входу антенны. Поток этой энергии через SBX в среднем за период равен нулю, а его амплитуда определяет мнимую составляющую входного сопротивления антенны Х&. Плотность реактивной энергии максимальна вблизи антенны и быстро убывает при удалении от нее; в) связанную энергию Wc, участвующую во взаимном обмене между электрической и магнитной энергиями в ближней зоне. Эта энергия не дает вклада в поток энергии через SBX, а перемещается из области локализации электрической энергии в область локализации магнитной энергии и обратно. На больших расстояниях от антенны плотность связанной энергии wc стремится к нулю. Показано, что условием согласования антенны с фидером является равенство волнового сопротивления фидера вещественной части входного сопротивления антенны и уменьшение запаса реактивной энергии в ближней зоне антенны. Приведена численная модель антенны, представляющая собой комбинацию вертикального электрического диполя и двух горизонтальных магнитных диполей. При определенном расстоянии между электрическим и магнитными диполями, а также при определенных соотношениях амплитуд и фаз протекающих в них токов, в чисто активном общем для всех диполей фидере с сопротивлением 140 Ом достигается согласование по уровню КСВН = 2 в полосе частот 8:1.
Численное моделирование характеристик направленности V-диполя
Излучатели СШП импульсов в виде несимметричной щелевой линии, встроенной в открытый конец волновода, использовались только с твердотельными генераторами BASS фирмы Power Spectra [9]. Использование открытого конца волновода в качестве излучателя определялось удобством компановки генератора с передающей антенной. Компания Power Spectra по заказу AFRL на основе элементов BASS изготовила ряд источников СШП излучения, известных как GEM серия. Самым мощным и сложным излучателем в серии был GEM-II. GEM-II представлял собой 144-элементную решетку с возможностью электронного управления волновым пучком в пределах ±30 в двух плоскостях, частотой повторения импульсов до 3 кГц [12], а по данным [9] - 10 кГц, и возможностью излучить десять импульсов в пачке с частотой 1 МГц. GEM-II позволил получить напряженность электрического поля 22.3 кВ/м на расстоянии 74 м при зарядном напряжении всего 17 кВ. Эффективный потенциал достигал 1650 кВ и долгое время оставалось рекордным для всех мощных источников СШП излучения. Однако, нестабильность работы твердотельных генераторов не позволила использовать GEM-II в исследованиях.
Открытый конец волновода является слабонаправленной антенной с шириной главного лепестка, по уровню половинной мощности 80-120 (для прямоугольного волновода) [61]. Такие антенны могут использоваться в качестве элементов фазированных антенных решеток. Недостатком волновода как излучателя является узкая полоса рабочих частот (менее октавы на основной моде Ню) [55]. Кроме того, волноводная линия обладает дисперсией, что ограничивает передачу и излучение СШП импульсов такой линией.
Компактный источник СШП импульсов СКИ-3 представлен в работе [62]. Излучателем в СКИ-3 является рупорно-параболическая антенна. Диаметр апертуры зеркала равен 0.9 м. Вес установки составлял -30 кг. Выходное напряжение генератора было -100 кВ, частота повторения импульсов достигала 1000 Гц.
Анализ опубликованных работ показал, что для практического применения СШП систем существует необходимость снижения их веса и габаритов. Данное требование относится, естественно, и к излучателям СШП импульсов. Однако, электрически малые антенны имеют либо узкую полосу согласования с фидером (короткий диполь), либо ненаправленную ДН (биконусная антенна).
Из существующих способов расширения полосы согласования антенн перспективным направлением для создания СШП излучателя является комбинация излучателей электрического и магнитного типов. В качестве таких элементов комбинированных антенн в теоретических работах обычно рассматривают электрические и магнитные диполи. Перспективность комбинированных антенн связана с тем, что при определенной взаимной ориентации излучателей электрического и магнитного типа, а также при определенном амплитудно-фазовом соотношении их токов возможно получение ДН кардиоидного типа.
Несмотря на большой интерес к комбинированным излучателям СШП импульсов, единственная антенна, использующая данный принцип и пригодная для использования в мощных СШП источниках - это IRA. Но IRA не является компактной антенной, что существенно усложняет возможность построения сканирующей СШП решетки на ее основе.
Приведенный выше анализ приводит к необходимости постановки и решения следующих задач. 1) Исследование факторов, влияющих на согласование антенн с фидерным трактом. Необходимо выяснить какие существуют возможности по расширению полосы согласования антенн в область низких частот. Важно также определить предельную (теоретическую) нижнюю полосу пропускания антенны. В рамках этой задачи необходимо исследовать возможность создания компактной комбинированной антенны, состоящей из излучателей электрического и магнитного типов с общим входом. Решение задачи возможно в рамках численного и физического экспериментов. 2) Решение задачи расширения полосы пропускания антенн в область высоких частот. Улучшить согласование линейной антенны с фидерным трактом в области высоких частот можно за счет увеличения поперечных размеров антенны, но полоса пропускания симметричного диполя длиной 2L ограничена сверху длиной волны, соответствующей соотношению L = 0.6Я, что связано с изменением характеристик направленности. В рамках численного и физического эксперимента необходимо реализовать возможности расширения полосы пропускания компактных антенн в область высоких частот. 3) Исследование пространственно-временной структуры поля излучения комбинированных излучателей и возможности управления ею. 4) Решение задачи нахождения пиковой мощности излучения СШП источников при их возбуждении нано- и субнаносекундными импульсами напряжения. 5) Исследование и разработка источников СШП излучения с пиковой мощностью более 108 Вт. Как было показано в первой главе, увеличение мощности линейного излучателя возможно либо за счет резкого изменения импульса тока или увеличения амплитуды тока, либо за счет увеличения длины излучателя. В случае компактных антенн последнее условие не может использоваться и для повышения мощности излучения остается либо увеличивать амплитуду тока при заданной форме импульса, либо производную от тока по времени, либо и то и другое. Увеличение производной от тока по времени приводит к расширению спектра входного импульса и для эффективного излучения такого импульса требуется излучатель с достаточно широкой полосой пропускания. Прежде, чем перейти к экспериментальным исследованиям комбинированных излучателей, рассмотрим возможности согласования антенны с комплексным входным сопротивлением с фидером, волновое сопротивление которого постоянное и активное, и факторы, влияющие на их согласование. Рассмотрим на численных моделях различные комбинации излучателей электрического и магнитного типа, позволяющие расширить полосу согласования в область низких частот и получить однонаправленную ДН, а также реализовать возможность расширения полосы пропускания излучателя в область высоких частот.
Характеристики комбинированных антенн в частотной области
Видно, что для третьего комбинированного излучателя КСВН 2 в широкой полосе частот. Однако, нижняя граничная частота полосы согласования комбинированного излучателя существенно сдвинута в область высоких частот по сравнению с монополем. Это вызвано отсутствием неограниченного идеально проводящего экрана в данной модели.
Нормированные ДН по мощности третьей модели комбинированного излучателя представлены на Рисунке 2.12. Здесь представлены ДН для частот, соответствующих отношениям 1//1 = 0.3 (Рисунок 2.12а, б) и 1//1 = 0.4 (Рисунок 2.12в, г), в Я- (Рисунок 2.12а, в) и Е- (Рисунок 2.126, г) плоскостях. В Я-плоскости с ростом частоты растет уровень кроссполяризованного излучения. Если для частоты, соответствующей L/A = 03, максимальный уровень кроссполяризованного излучения составляет 3% от максимального уровня вертикально поляризованного излучения (и не показан на Рисунке 2.12а), то для частоты, соответствующей 1//1 = 0.4, максимальный уровень кроссполяризованного излучения составляет уже 19% и показан на Рисунке пунктиром. Отметим, что в -плоскости положение главного максимума излучения зависит от частоты (Рисунок 2.126, г).
Объемная (четвертая) модель комбинированного излучателя была построена на основе третьей модели с использованием рекомендаций [66]. Геометрии четвертой модели комбинированного излучателя, а также монополя с увеличенным поперечным размером над разверткой корпуса излучателя, показаны на Рисунке 2.13.
Здесь корпус антенны представляет собой ограниченный экран, свернутый компактно вокруг плоского электрического монополя. Для увеличения емкости между корпусом и монополем последний имеет дополнительную проволочку в верхней части, паралельную верхней части корпуса. Размер L широкого монополя определяется максимальным расстоянием от верхней части ограниченного экрана до верхней части монополя, а для комбинированной антенны он является разностью максимальной и минимальной координат z, соответствующих корпусу антенны (Рисунок 2.136).
КСВН четвертого комбинированного излучателя (кривая 2), широкого монополя (кривая 1) данного излучателя над ограниченным экраном (Рисунок 2.13а) и монополя (кривая 3) над неограниченной идеально проводящей плоскостью (Рисунок 2.3а) представлены на Рисунке что увеличение поперечных размеров монополя, даже над ограниченным экраном, приводит к расширению его полосы согласования по сравнению с тонким монополем над неограниченной идеально проводящей плоскостью. Нижняя граничная частота цилиндрического монополя по уровню КСВН = 2 соответствует отношению L/Яц = 0.244 и сдвинута для широкого монополя в сторону более низких частот на 7% до ЫХц = 0.226. Верхняя граничная частота цилиндрического монополя по уровню КСВН = 2 соответствует отношению І/Яв = 0.272 и сдвинута вверх-на 14% до L/AB = 0.31 для широкого монополя.
Сдвиг КСВН широкого монополя до L/AH = 0Л5 по уровню КСВН = 4 связан с особенностями его возбуждения в данной модели. Левая ветвь кривой 1 (см. Рисунок 2.14) при КСВН 3 соответствует возбуждению экрана (продольный размер которого в 2.5 раза больше чем высота широкого монополя), а сам широкий монополь выступает в роли экрана-противовеса. Следовательно, согласование широкого монополя в области частот L/Яц 0.2 не рассматривается в данной работе.
Нижняя граничная частота четвертой модели комбинированного излучателя по уровню КСВН = 2 соответствует отношению 1/Ян = 0.2 и на 11% сдвинута в область низких частот по сравнению с широким монополем данного излучателя. Верхняя граничная частота четвертой модели комбинированного излучателя по уровню КСВН = 2 соответствует отношению LIA» = 0.56 и на 80% сдвинута в область высоких частот по сравнению с монополем данного излучателя.
ДН четвертой модели комбинированного излучателя исследовались в диапазоне частот, соответствующих отношениям LIA = 0.2-0.7. Нормированные ДН по мощности четвертой модели комбинированного излучателя представлены на Рисунке 2.15. Излучение модели линейно поляризовано в вертикальной плоскости. В Я-плоскости с ростом частоты растет уровень кроссполяризованного излучения. Для частот, соответствующих LIA = 0.2-0.4, максимальный уровень кроссполяризованного излучения составляет 1% от максимального уровня вертикально поляризованного излучения, а для частоты, соответствующей L/A = 0A5, максимальный уровень кроссполяризованного излучения составляет 8% и не показан на Рисунке 2.15. Для частот, соответствующих НА = 0.45-0.7, уровень кроссполяризованного излучения повышается и имеет максимум, равный 78%, при L/A = 0.55. На Рисунке 2.15 ДН кроссполяризованного излучения показаны пунктиром.
Использование комбинированной антенны с расширенной полосой пропускания в мощном источнике СШП излучения
Два варианта конструкций комбинированных излучателей мощных наносекундных импульсов приведены на Рисунке 3.1. Излучатель в конструкциях антенн А1 (Рисунок 3.1а) и А2 (Рисунок 3.16) представляет собой плоский несимметричный диполь (монополь) 1, смещенный к одному из краев экрана 2 и соединенный с фидером щелевой линией 3, образованной нижней кромкой пластины монополя и экраном, который изогнут по форме нижней кромки монополя. Для увеличения емкости между электрическим монополем и экраном 2 к монополю 1 прикреплена пластина 4, образуя с ним единое целое. Монополь 1 и дополнительная пластина 4 имеют толщину 20 мм и скругленные кромки. Это связано с необходимостью снижения напряженности электрического поля на них для предотвращения разряда в антенне. Монополь установлен внутри экрана в плоскости, проходящей через среднюю линию экрана. Для образования магнитного излучателя экран антенны А1 или электрический монополь антенны А2 изогнуты так, чтобы между боковой кромкой монополя и экраном образовалась щель 5. Длина щелевой линии 3 выбирается такой, чтобы обеспечить оптимальный фазовый сдвиг между магнитным и электрическим токами. Необходимое соотношение между электрическим и магнитным моментами обеспечивается выбором геометрических размеров щели 5 и монополя 1.
Данные конструкции антенн [67-69] можно рассматривать как комбинацию электрического и магнитного излучателей. Причем, монополь характеризуется тем, что на частотах ниже первого резонанса его импеданс имеет емкостной характер, т.к. в его ближней зоне преобладает запас электрической энергии. Аналогом магнитного диполя является проводящий виток, образованный пластиной монополя и частью пластины-экрана (показан на Рисунках 3.1а, б пунктирной линией). Он характеризуется тем, что на частотах ниже частоты первого резонанса (где периметр витка составляет половину длины волны) его импеданс имеет индуктивный характер, а запас магнитной энергии превышает запас электрической энергии. При подаче сигнала на вход антенны одна часть сигнала через щелевую линию возбуждает электрический монополь, другая часть возбуждает упомянутый виток. Выбранные размеры обеспечивают такое соотношение электрического и магнитного моментов в антенне, при котором минимизируется разность запасов электрической и магнитной энергий в ближней зоне антенны на частотах выше нижней граничной частоты полосы пропускания. Это обеспечивает минимизацию реактивной составляющей импеданса антенны и уменьшает частотную зависимость вещественной составляющей, т.к. с уменьшением частоты увеличивается плотность энергии в ближней зоне антенны, вследствие чего повышается доля излученной мощности. Кроме расширения полосы согласования в сторону нижних частот, предложенная конструкция (совмещение рамки и штыря) и выбранные соотношения размеров обеспечивают формирование кардиоидной диаграммы направленности. Поляризация излученного поля вертикальная. Комбинированные антенны оптимизированы под излучение биполярных импульсов напряжения. Габаритные размеры антенн L crl2 (с - скорость света, т- длительность биполярного импульса в передающем фидере). Были разработаны и исследованы антенны А1, -оптимизированные для излучения биполярных импульсов длительностью 4 (АН) и 3 не (А 13); антенна А2, оптимизированная для излучения биполярных импульсов длительностью 2 нс (А22). пропускания Третий вариант антенны A3 (Рисунок 3.2) [70,71] можно рассматривать как комбинацию электрического монополя /, активного магнитного диполя 5, ТЕМ рупора 6 и пассивных магнитных диполей 7. Под ТЕМ рупором в данном случае будем понимать объемный аналог V-антенны. В связи с малой электрической длиной ТЕМ рупора будем отличать его от ТЕМ антенны, описаной в Главе 1. Ширина монополя 1 в верхней части составляет 70% от ширины верхней пластины экрана-корпуса 2. Это сделано для расширения ДН антенны в горизонтальной плоскости. Вариант A3 можно рассматривать также как комбинацию ТЕМ рупора б, активного магнитного диполя 5 и пассивных магнитных диполей 7. Активный диполь возбуждается токами проводимости, текущими по начальной части электрического монополя 1, по поверхности пластины 4 и по внутренней поверхности корпуса-экрана 2. Пассивные магнитные диполи возбуждаются электромагнитным полем. Периметр S активного магнитного диполя 5, изменялся перемещением пластины 4. При этом, соответственно, менялась геометрия и верхнего пассивного магнитного диполя 7. Максимальный периметр диполя 5 равен . при отсутствии пластины 4 и, соответственно, при отсутствии верхнего пассивного магнитного диполя. ТЕМ рупор возбуждается полосковой линией 3, которую можно рассматривать как линию задержки возбуждения ТЕМ рупора по отношению к активному диполю 5. В задней стенке антенн имеются разъемы для подсоединения фидера с волновым сопротивлением 50 Ом. Габаритные размеры антенн L = cz/2. Высота и ширина антенны A3 равна h L. Были разработаны и исследованы антенны A3, оптимизированные для излучения биполярных импульсов длительностью 3, 2 и 1 не (АЗЗ, А32, А31).