Випромінювання надширокосмугових імпульсних електромагнітних полів антенами великого струму Хармута

Размещено на http://allbest.ru

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Випромінювання надширокосмугових імпульсних електромагнітних полів антенами великого струму Хармута

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Робота присвячена дослідженню основних закономірностей процесу випромінювання нестаціонарних несинусоїдних надширокосмугових (НШС) імпульсних електромагнітних полів випромінювачами, що побудовані за принципом антен великого струму (АВС) Хармута.

Актуальність теми. Нові можливості, які надає використання нестаціонарних несинусоїдних НШС імпульсних електромагнітних полів, зокрема, надзвичайно висока роздільна здатність в радіолокації, застосування екологічно чистих неруйнівних радіолокаційних методів дослідження підповерхневої структури ґрунту, завадостійкий прихований радіозв'язок з великою швидкістю передачі інформації, висока точність визначення місця розташування мобільних об'єктів, спостереження за тим, як відбуваються процеси в динамічних і навіть нелінійних системах, вплив на структуру та властивості речовини та штучних матеріалів в значній мірі стимулюють дослідження в галузі нестаціонарної несинусоїдної електродинаміки. На сьогодні головним чинником, що стримує прогрес в застосуванні НШС радіосигналів, є невідповідність характеристик антенних систем, які існують, вимогам розроблювачів радіотехнічної апаратури.

Відомі на цей час НШС антенні системи можна умовно розподілити за співвідношенням між розміром антени та просторовою тривалістю імпульсу (ПТІ), що збуджує, на три основні класи: "антени біжучої хвилі" (АБХ), "квазірезонансні" антени (КРА), елементарні антени (ЕА).

До АБХ слід віднести антени, розміри яких (насамперед в напрямі поширення хвилі, що збуджує) значно перевищують ПТІ. Назва цього класу антен відповідає способу збудження. Розповсюдженими прикладами антен цього класу є ТЕМ-рупори. Такому ж співвідношенню між ПТІ та розміром антени відповідають дзеркальні антени та антенні решітки. Позитивними особливостями АБХ є висока ефективність та спрямованість випромінювання, а недоліком - великі габарити, особливо в тих випадках, коли ПТІ складає кілька дециметрів або метри.

КРА є антени, ПТІ яких приблизно дорівнює розміру антени. КРА мають менші габарити, але поступаються АБХ ефективністю та спрямованістю випромінювання. До того ж КРА потребують застосування складних навантажень, які повинні перешкоджати появі післяімпульсних коливань у випроміненому полі.

ЕА мають розмір, значно менший ніж ПТІ. Завдяки цьому їхні характеристики залишаються майже незмінними у надширокій смузі частот, але ефективність випромінювання ЕА дуже мала. Тому галуззю застосування ЕА є вимірювання амплітудних та часових параметрів потужних імпульсів електромагнітного поля. ЕА можна розподілити на антени електричного типу - диполь, монополь, та антени магнітного типу - рамочні антени. Мала ефективність випромінювання дипольних конструкцій обумовлена неможливістю створити в них струм великої амплітуди без дуже великої напруги збуджуючого сигналу. Велику амплітуду струму можна створити в рамці, але і вона не є ефективним випромінювачем через те, що внаслідок інтерференції полів, випромінених частинами рамки, в яких струм тече в протилежних напрямках, відбувається взаємна компенсація цих полів і сумарна амплітуда імпульсного поля є малою.

Для підвищення ефективності випромінювання професором Х.Ф. Хармутом (Henning F. Harmuth) зі США було запропоновано скористатися позитивною особливістю рамки - можливістю збудження струму великої амплітуди, але на відміну від звичайної рамки, екранувати її половину, щоб запобігти випромінюванню в простір полів з протилежною полярністю і досягти дипольного режиму випромінювання. Таким чином, в одному випромінювачі зосереджуються позитивні особливості рамки і диполя. Автор назвав такий випромінювач антеною великого струму (Large Current Radiator).

Особливостями АВС є малі геометричні розміри у порівнянні з ПТІ, підвищена, у порівнянні з іншими ЕА, ефективність випромінювання, можливість випромінювання імпульсів різної тривалості. Такі характеристики відкривають перспективи щодо використання АВС як антени мобільних систем радіолокації, радіонавігації та радіозв'язку і як елемента НШС імпульсних антенних решіток. Але, незважаючи на зовнішню простоту АВС, дотепер електродинамічні властивості цього типу випромінювачів залишались майже не дослідженими.

Таким чином, велика потреба в малогабаритних випромінювачах НШС імпульсних електромагнітних полів і можливості задовольнити її шляхом використання АВС створили умови, за яких детальне дослідження фізичних процесів, що відбуваються в АВС, є вкрай необхідним.

Слід також зазначити, що сам процес випромінювання електромагнітної хвилі досі не має достатньо обґрунтованого фізичного опису. Особливо гостро питання такого опису постало, коли виникла потреба випромінювати НШС імпульсні електромагнітні поля. На цей час опубліковано багато результатів досліджень, пов'язаних з дипольними антенами, дуже мало - пов'язаних з рамками, і майже зовсім нічого не опубліковано про АВС. Тому отримання нових теоретичних та експериментальних даних про електродинамічні властивості АВС і процеси, які відбуваються в цьому випромінювачі, є важливим для фундаментальної науки, оскільки ця інформація, є необхідною для розуміння процесу випромінювання електромагнітних хвиль.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації здійснювались відповідно до плану науково-дослідних робіт Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України в межах держбюджетних НДР "Дослідження резонансної взаємодії електромагнітних хвиль з розсіювачами складної форми з метою розробки нових методів і елементів систем радіоінтроскопії міліметрових хвиль" (номер держреєстрації 01.890001073), "Розвиток нових теоретичних та експериментальних методів радіоінтроскопії в середовищах з великим поглинанням" (номер держреєстрації 01.93U042281), "Розвиток нових теоретичних та експериментальних методів та засобів радіоінтроскопії" (номер держреєстрації 01.98U001473). Часткову підтримку цим дослідженням було надано Українським науково-технологічним центром (УНТЦ) в межах проекту №366 "Створення елементної бази відеоімпульсних георадарів".

Мета і задачі дослідження. Об'єктом дослідження є випромінювання НШС імпульсного електромагнітного поля. Предметом дослідження є особливості формування імпульсних електромагнітних полів випромінювачем, побудованим за принципом антени великого струму Хармута. Метою роботи є з'ясування фізичних закономірностей процесу випромінювання імпульсних електромагнітних полів антенами великого струму Хармута та розробка рекомендацій щодо створення надширокосмугових імпульсних антенних систем.

Для досягнення поставленої мети було розв'язано наступні задачі:

-визначено умови підвищення ефективності випромінювання НШС імпульсних електромагнітних полів і з'ясовано причини виникнення післяімпульсних коливань у випромінюваному сигналі та шляхи їх усунення;

-створено установку для вимірювання параметрів імпульсів електромагнітного поля довкола випромінювача в ближній та дальній зонах;

-розроблено генератори потужних відеоімпульсних сигналів наносекундного діапазону тривалостей;

-розроблено випромінювачі дипольного (широкосмуговий диполь, ТЕМ-рупори, навантажена щілинна антена) та штирового типів, експериментально досліджено просторові залежності параметрів імпульсів випромінених ними електромагнітних полів;

-в часовій області виконано моделювання процесу формування електромагнітної хвилі при збудженні АВС відеоімпульсним сигналом, досліджено просторову залежність параметрів імпульсів напруженостей електричного і магнітного полів, а також залежність параметрів імпульсів від геометричних розмірів випромінювача, з'ясовано їх зв'язок з тривалістю сигналу, що збуджує;

-розроблено конструкцію елементів, які узгоджують хвильові опори зворотного струмопроводу і випромінюючого елемента, розроблено конструкцію екрана для усунення випромінювання зворотного струмопроводу, розроблено ряд антен, в яких використано принцип АВС Хармута;

-експериментально досліджено залежності параметрів імпульсів електромагнітного поля від відстані, від розмірів випромінювача, від величини активного опору в ланці збудження АВС, від тривалості імпульсу, що збуджує.

В теоретичній частині роботи використано метод кінцевих різниць в часовій області (Finite Difference Time Domain (FDTD)). В експериментах використано метод прямих вимірювань амплітудно-часової залежності напруженості імпульсного електромагнітного поля в просторі довкола випромінювача.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше за допомогою FDTD методу виконано моделювання і розраховано розподіл електричної та магнітної компонент НШС імпульсного поля в ближній та дальній зонах випромінювачів, побудованих за принципом АВС. Показано, що на відміну від уявлень, які існували, просторова залежність полів має вигляд, аналогічний просторовій залежності полів для випромінювача магнітного типу - рамки. Це стосується випромінювачів, зворотний струмопровід яких не екрановано метало-феритовим екраном. Збільшення ширини випромінюючого елемента призводить до збільшення амплітуди випроміненого поля, але причиною цього явища є не стільки екранування поля зворотного струмопровода широким випромінюючим елементом, скільки збільшення амплітуди струму в випромінювачі, яке відбувається завдяки зменшенню індуктивності антени.

2. Вперше отримано кількісні оцінки приросту амплітуд випромінюваного поля при збільшенні геометричних розмірів випромінювача. Показано, що найбільший вплив на амплітуду поля має довжина випромінюючого елемента. Знайдено межу, до якої можна збільшувати розміри антени і при цьому зберігати випромінений сигнал не спотвореним. З'ясовано, що післяімпульсні коливання в випроміненому полі виникають коли периметр антени дорівнює або більше ПТІ.

3. Вперше експериментально досліджено залежність амплітуд компонент електромагнітного поля ближньої і дальньої зон від величини активного опору в ланці випромінюючого елемента. Визначено, що всупереч очікуванням закон зміни амплітуди випроміненого імпульсу поля в залежності від величини опору не є обернено пропорційним.

4. Вперше запропоновано і використано для екранування зворотного струмопроводу циліндричний багатошаровий метало-феритовий екран, в якому внутрішній металевий шар оточений двома шарами високочастотного та низькочастотного фериту.

5. Вперше експериментально продемонстрована можливість випромінювання НШС імпульсних електромагнітних полів з різними тривалостями імпульсу одним випромінювачем.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень висвітлюють основні закономірності процесу випромінювання НШС імпульсних електромагнітних полів антенами великого струму. Урахування цих закономірностей є необхідним при конструюванні ефективних НШС імпульсних антенних систем.

Застосування випромінювачів, побудованих за принципом АВС, є перспективним в тих випадках, коли потрібна НШС імпульсна антена малих розмірів (наприклад, для НШС систем мобільного зв'язку), або коли треба випромінювати НШС сигнали великої тривалості. Особливо перспективним є використання АВС як елемента НШС імпульсних антенних решіток.

Отримані данні про процеси, що відбуваються в АВС під час збудження, а також про те, яким чином формується випромінене поле у ближній та дальній зонах випромінювача, будуть використані для з'ясування причин випромінювання електромагнітних хвиль і розбудови фізичної моделі цього процесу.

Результати цієї дисертаційної роботи є основою для розробки антен, необхідних для сучасних НШС імпульсних систем радіолокації, радіонавігації і радіозв'язку наносекундного діапазону тривалостей.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці фізичних моделей випромінювачів [1, 2, 7], у виготовленні генераторів потужних імпульсних сигналів [3, 4, 9], у виготовленні антен для експериментів [1-4, 6, 7, 9], у вимірюванні розподілу НШС імпульсних полів, випромінюваних антенами [1-4, 6, 7, 9], в узагальненні результатів експериментів [1-4, 6, 7, 9, 13]. Ідеї класифікації випромінювачів за критерієм співвідношення ПТІ до розміру антени [8], використання багатошарового циліндричного екрану для АВС [3, 4, 13], застосування ТЕМ-рупорних секцій для узгодження хвильових опорів зворотного струмопровода і випромінюючого елемента [4] належать автору дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені і обговорювалися на конференціях: 1 Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн" - Харьков (Украина), 15-18 октября, 1991; Научно-техническая конференция "Направления развития систем и средств радиосвязи" - Воронеж (Россия), 24 - 26 мая, 1993 и 26 - 28 мая, 1995; International Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves" - Kharkov (Ukraine), June 7-10, 1994; Международная научно-техническая конференция "Антенно - фидерные устройства, системы и средства радиосвязи" - Воронеж (Россия), 28 - 30 мая, 1997; "Northrop Grumman Electrodynamics and Applications Symposium" - Santa Monica, California, (USA), September 16-18, 1997; 4th Ultra - Wideband Short - Pulse Electromagnetics Conference - Tel-Aviv (Israel), June 14-19, 1998; International Conference on Antennas and Radio Systems - Voronezh (Russia), May 25-28, 1999; IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium and USNC/URSI National Radio Science Meeting - Orlando, Florida (USA), July 11-16, 1999; Научно-практическая конференция "Георадар в России 2000" - Москва (Россия), 15-19 мая, 2000; Euro Electromagnetics (EUROEM)'2000 - Edinburgh, (UK) May 30 - June 2, 2000; The First International Workshop “Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals” - Kharkov (Ukraine), October 1, 2002.

Публікації. Основні результати опубліковано в 5-ти статтях [1-5] у вітчизняних і закордонних фахових журналах та 9-ти тезах доповідей вітчизняних і міжнародних конференцій [6-14].

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 206 сторінок та містить у собі 152 сторінки основного тексту, 86 рисунків, 4 таблиці. Повністю займають всю площину сторінки 43 рисунка на 32 сторінках і 2 таблиці на 8 сторінках. Список використаних джерел на 14 сторінках налічує 135 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі викладено актуальність і обґрунтовано необхідність виконання роботи, її зв'язок з науковими програмами, визначено мету досліджень та сформульовано задачі та методи їх розв'язання, необхідні для досягнення поставленої мети, наведено нові результати та можливі галузі їхнього застосування.

В Розділі 1 наведено огляд науково-технічної літератури за темою досліджень, визначено основні фізичні властивості і пов'язані з ними галузі застосування надширокосмугових електромагнітних полів, проаналізовано основні напрямки розвитку НШС антенних систем і узагальнено основні досягнення сучасної науки і техніки в цій галузі, надано аналіз найбільш поширених методів теоретичних досліджень НШС випромінювачів електромагнітних полів. Показано, що найбільшого прогресу досягнуто в розробці НШС антенних систем, які відносяться до класів АБХ та КРА, таких як дзеркальні антени, ТЕМ-рупори, навантажені дипольні конструкції. В той же час існує велика потреба в малогабаритних антенах ЕА класу, і професором Henning F. Harmuth запропоновано ідею ефективного випромінювача, в якому використано принцип АВС. Саме вивчення особливостей випромінювання НШС імпульсних полів антенами великого струму є напрямком досліджень даної дисертації. Для електродинамічного моделювання процесів збудження та випромінювання НШС електромагнітних полів обрано метод FDTD. Для перевірки результатів моделювання і виявлення ефектів, які неможливо промоделювати в межах FDTD методу обрано метод безпосередніх вимірювань під час експериментальних досліджень.

В Розділі 2 "Теоретичне дослідження процесу випромінювання імпульсного сигналу" спираючись на рівняння Максвела та результати експериментів з випромінювання імпульсних полів, розглянуто умови, за яких випромінюється імпульсна електромагнітна хвиля, і причини виникнення післяімпульсних коливань у випроміненому сигналі. Визначено, що джерелом випромінюваної хвилі є області антени, в яких під час збудження утворюється підвищена концентрація носіїв заряду, а ефективність випромінювання тим більша, чим швидше ця концентрація змінюється. Про це свідчать члени рівнянь з похідними за просторовими змінними та часом для компонент електричного Е і магнітного Н полів

,

,

,

, ,

,

де - радіус-вектор точки спостереження, - час, і - відповідно електрична та магнітна сталі, , , - вектор електричного струму, - швидкість світла, - об'єм, який займають заряди.

Далі наведено принцип дії АВС і пояснено, що підвищена ефективність випромінювання АВС є наслідком умов, за яких в антені може підтримуватись струм великої амплітуди і, водночас, дипольний режим випромінювання.

Критеріями, які визначають межу дальньої зони (тобто, відстані, до якої форма випроміненого сигналу ще змінюється), є

для Н поля; і () та () для Е поля, де - кут між і напрямком на точку спостереження. Для імпульсу, де - амплітуда струму, - час, за який струм зменшується в разів, критерії дальньої зони є такими: та.

В задачі електродинамічного моделювання випромінювач, який досліджується (рис.1), описано як металевий об'єкт заданої форми і розмірів. Він збуджується імпульсом гаусової форми тривалістю 1 нс. Область моделювання обрана таким чином, щоб до неї увійшли і ближня і дальня зони випромінювача. Усі зовнішні границі цієї області є "ідеально узгодженим шаром" (Perfect Matching Layer (PML)). В межах області моделювання фіксуються точки спостереження, в яких реєструються усі компоненти електричного і магнітного полів у трьохвимірній декартовій системі координат. Разом з цим, фіксується розподіл компонент електромагнітного поля в області моделювання в задані моменти часу.

На результатах моделювання показано, що для АВС з = 40 мм, = 30 мм і = 40 мм, яка збуджується імпульсом тривалістю 1 нс, дальня зона починається з відстані приблизно 90 см. Порівняння амплітуд напруженостей полів (рис.2), випромінених АВС та диполем, довжина якого дорівнює довжині випромінюючого елемента АВС, свідчить про майже вп'ятеро більшу ефективність випромінювання АВС.

Моделювання процесу випромінювання НШС імпульсного поля АВС (рис.1) показало, що випромінене поле має не дипольний (як у електричного диполя), а квадрупольний (як у рамки) характер. У площині ZOY імпульси напруженості поля мають незмінну полярність і однакову амплітуду, а в площині XOY спостерігається зміна амплітуди і полярності (рис.3). Діаграми спрямованості АВС за піковою амплітудою

при,

і при

мають характерний для рамки вигляд (рис.4).

Випромінювач зберігає квадрупольний режим незалежно від ширини випромінюючої пластини. Зростання напруженості випроміненого поля, яке спостерігається при збільшенні, забезпечується збільшенням струму в випромінювачі, що обумовлене зменшенням індуктивності.

Випромінений імпульс електромагнітного поля утворюється за рахунок інтерференції чотирьох імпульсних електромагнітних хвиль, джерелами яких є вигини рамки, і імпульсної хвилі, яка з'являється в місці збудження.

Характерними ефектами, що супроводжують збільшення довжини секцій, які узгоджують, і збільшення довжини випромінюючого елемента, є збільшення тривалостей переднього і заднього фронтів та зростання амплітуди випромінюваного імпульсу. Причому, збільшення призводить до приблизно втричі більшого зростання амплітуди імпульсу напруженості поля.

Для випадку збудження АВС імпульсом гаусової форми існують максимально допустимі значення і , які визначаються умовою, де - тривалість імпульсу. Порушення цієї умови призводить до появи коливань струму в випромінювачі і, як наслідок, до появи післяімпульсних коливань у випроміненому електромагнітному полі.

В Розділі 3 "Експерименти з випромінювання НШС імпульсних сигналів" наведено опис методик та устаткування, в тому числі нестандартного, для виконання експериментальних досліджень, а також результати експериментального дослідження АВС (рис.1). Експерименти цілком підтвердили вірність результатів FDTD моделювання, наведених в розділі 2.

Для експериментів з АВС (рис.1) було розроблено і виготовлено малогабаритні генератори потужних відеоімпульсів струму (до 5 А) з малим вихідним опором (1,2 Ом), в яких використано НВЧ потужні польові GaAs транзистори.

Експериментально показано, що амплітуда імпульсу електромагнітного поля, випроміненого АВС, майже в 5 разів більше ніж амплітуда поля, випроміненого диполем тієї ж довжини (рис.5).

Завдяки тому, що імпульс збудження АВС мав форму, близьку до трапецеїдальної, вдалося додатково виявити ряд особливостей формування імпульсу поля в просторі навколо АВС. Процес збудження АВС і випромінювання імпульсу електромагнітного поля можна умовно розділити на повільний процес, під час якого відбувається накопичення енергії в ближній зоні антени, і швидкий процес, в результаті якого формується випромінений імпульс поля (рис.6). Розміри області простору (ближньої зони), в якій при заданому часі зростання (або спаду) струму напруженість короткого випроміненого імпульсу поля менша або дорівнює напруженості поля, яке утворюється під час накопичення енергії індуктивністю антени, залежить, головним чином, від амплітуди струму повільного процесу. Обмеження повільного струму за допомогою активного опору, введеного в ланку збудження послідовно з випромінювачем, призводить до зменшення розмірів цієї області. В той же час, амплітуда випроміненого імпульсу поля суттєво менше залежить від величини опору (рис.7): опір збільшено майже в 10 разів, а амплітуда випроміненого імпульсу зменшилась тільки в 1,5 рази. Обмеження струму в антені за допомогою активного опору дозволяє сформувати в дальній зоні антени більш "чистий" (без післяімпульсних коливань) імпульс поля (рис.7). Випромінений в дальню зону імпульс електромагнітного поля, утворений в результаті збудження АВС переднім фронтом трапецеїдального імпульсу струму, за формою наближається до однополярного сигналу. Аналогічно виглядає і імпульс поля, утворений заднім фронтом збуджуючого сигналу (рис.7).

В Розділі 4 "Антени великого струму" розглянуто три конструкції АВС, які демонструють різні підходи до вирішення ключових проблем, пов'язаних з розробкою АВС: підвищення ефективності випромінювання та зменшення рівня післяімпульсних коливань у випроміненому полі. Для цього було розроблено, виготовлено і використано такі генератори потужних відеоімпульсних сигналів: генератор на лавинному транзисторі, генератор на S-діоді, генератор на потужних польових НВЧ кремнієвих транзисторах. Було проаналізовано засоби екранування зворотного струмопровода і узгодження хвильових опорів зворотного струмопровода і випромінюючого елемента, а також шляхи зменшення індуктивності АВС. Також було запропоновано і досліджено нову схему чотирьохелементної АВС з перестроюванням тривалості випромінених імпульсів. Для усунення випромінювання зворотного струмопровода використано екран, який складається із внутрішнього металевого циліндру та зовнішніх шарів циліндричної форми з високочастотного і низькочастотного феритів (рис.8).

На прикладах розроблених антен продемонстровано, що АВС, зворотний струмопровід якої екрановано метало-феритовим екраном (рис.8), діє у дипольному режимі: розподіл випроміненого поля навколо такої антени має вигляд розподілу поля навколо електричного диполя (рис.9).

На форму випроміненого імпульсу поля суттєво впливає симетричність збудження випромінюючого елемента. Найкращі характеристики випроміненого поля були одержані завдяки симетричному збудженню антени (рис.9), яке було досягнуто при використанні S- діодного генератора збуджуючих імпульсів.

Показано, що АВС можуть випромінювати НШС імпульсні сигнали різної тривалості. Експериментально підтверджено, що можна перестроювати тривалість імпульсу, випроміненого однією антеною (рис.10).

У Висновках викладені основні наукові результати дисертаційної роботи та вказані можливі галузі застосування і напрямки подальших досліджень.

ВИСНОВКИ

У дисертації досліджені і систематизовані особливості випромінювання НШС імпульсних електромагнітних полів антенами великого струму Хармута. Ці дослідження є актуальними у зв'язку з потребою сучасної радіолокаційної техніки і засобів радіозв'язку в нових антенних системах, які здатні ефективно і без спотворень випромінювати НШС імпульсні електромагнітні хвилі. В дисертації методом FDTD виконано електродинамічне моделювання процесу випромінювання НШС імпульсного поля антеною, побудованою за принципом АВС Хармута, досліджено залежності просторових і часових параметрів випромінених імпульсів від геометричних розмірів АВС, проведено експерименти, які підтвердили правомірність теоретичних висновків і надали нову інформацію про особливості випромінювання НШС полів, виготовлено і експериментально досліджено низку АВС різних конструкцій з різними збуджуючими генераторами.

За результатами FDTD моделювання показано, що АВС є більш ефективним випромінювачем НШС імпульсних електромагнітних полів, ніж диполь, довжина якого дорівнює довжині випромінюючого елемента АВС. На відміну від існуючих уявлень випромінювач, зворотний струмопровід якого не екрановано метало-феритовим екраном, діє не в дипольному, а в квадрупольному режимі випромінювання. Розподіл електромагнітного поля навколо цього випромінювача має такий самий вигляд, як і розподіл поля навколо рамки. Існує можливість підвищення ефективності випромінювання шляхом збільшення розмірів АВС. Надано кількісні оцінки залежності приросту напруженості випроміненого поля від усіх геометричних розмірів. Коли периметр випромінювача більший або дорівнює просторовій тривалості збуджуючого імпульсу гаусової форми, у випромінюваному полі з'являються післяімпульсні коливання. Збільшення периметра АВС веде до збільшення тривалостей фронтів випроміненого імпульсного поля.

Експериментально підтверджено результати FDTD моделювання і вперше продемонстровано залежність напруженості компонент поля ближньої зони від активного опору в ланці випромінюючого елемента. Визначено, що амплітуда компоненти напруженості поля випромінюваного імпульсу не відповідає закону оберненої пропорційності до величини активного опору в ланці випромінювача.

Вперше запропоновано використати для екранування зворотного струмопровода багатошаровий метало-феритовий екран циліндричної форми, в якому феритова частина складається з двох шарів: внутрішнього шару з кілець високочастотного фериту і зовнішнього шару з кілець низькочастотного фериту. Застосування такого екрану дозволило перевести випромінювач в дипольний режим випромінювання і об'єднати в одному випромінювачі переваги способу збудження за принципом АВС і дипольного режиму випромінювання.

Вперше експериментально продемонстровано можливість випромінювання імпульсних сигналів різної тривалості антеною великого струму у вигляді чотирьохелементного випромінювача, який власне є чотирьохелементною (2 ґ 2) антенною решіткою.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням апробованого FDTD методу (в теоретичній частині роботи), використанням стандартної вимірювальної апаратури і додатковим тестуванням нестандартних елементів за стандартними методиками (в експериментальній частині) і доведена шляхом порівняння теоретичних результатів з результатами експерименту і результатами інших авторів.

Експериментально показано, що АВС має енергетичні характеристики, достатні для використання цих антен в радіолокаційних системах підповерхневого зондування. Використання випромінювачів, побудованих за принципом АВС, є особливо перспективним у тих випадках, коли необхідні антени малих розмірів (наприклад, НШС імпульсні системи мобільного зв'язку), або коли необхідно випромінювати НШС сигнали великої тривалості. Особливо перспективним є застосування АВС як елемента НШС імпульсної антенної решітки. Практична цінність результатів, що отримані в дисертації, полягає в тому, що вони є основою для розробки антен, необхідних для сучасних НШС імпульсних систем радіолокації та радіозв'язку наносекундного діапазону тривалостей.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

електромагнітний імпульсний струм хармут

1. Почанин Г.П., Ротарь С.В. Антенны в режиме излучения видеоимпульсных сигналов // Физические исследования с использованием радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. - 1991. - С.140-146.

2. Масалов С.А., Почанин Г.П., Ротарь С.В. Нагруженная щелевая антенна для излучения видеоимпульсов наносекундного диапазона // Научное приборостроение в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн. - Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. - 1992. - С.55-62.

3. Lukin K.A., Pochanin G.P., Masalov S.A. Large current radiator with avalanche transistor switch // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 1997. - V. 39, No 2. - P.156-160.

4. Pochanin G.P., Kholod P.V., Masalov S.A. Large current radiator with S-diode switch // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. - 2001. - V. 43, No 1. - P.94-100.

5. Почанин Г.П. Излучение импульсных сигналов разной длительности перестраиваемой антенной системой большого тока // Радиофизика и Электроника. - 2000. - Т.5, №2. - С.118-127.

6. Почанин Г.П., Ротарь С.В. О влиянии размеров антенны на параметры излученных импульсов // 1 Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн". - Часть 2. - Харьков (Украина). - 1991. - С.101-102.

7. Масалов С.А., Почанин Г.П., Ротарь С.В. Сверхширокополосная антенна // Международная научно-техническая конференция "Современная радиолокация". - Киев (Украина). - 1994. - C.63.

8. Почанин Г.П., Ротарь С.В. Сверхширокополосные антенны // Научно-техническая конференция "Направления развития систем и средств радиосвязи". - Воронеж (Россия). - 1993. - С.27-28.

9. Почанин Г.П., Почанина И.Е., Холод П.В. Антенна большого тока. Ближнее и дальнее поля // Международная научно-техническая конференция "Антенно - фидерные устройства, системы и средства радиосвязи". Том 1. - Воронеж (Россия). - 1997. - С.47-56.

10. Pochanin G.P. Large current radiator for the short electromagnetic pulses radiation // Proc. of the 4th Ultra - Wideband Short - Pulse Electromagnetics Conference. - Tel-Aviv, (Israel). 1998. - NY: Kluwer Academic / Plenum Publisher, 1999. - P.149-155.

11. Pochanin G.P. Pulse radiation of four-element large current radiator // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium and USNC/URSI National Radio Science Meeting. - Vol. 4. - Orlando, Florida (USA). - 1999. - P. 2722-2726.

12. Pochanin G.P. Radiation of electromagnetic pulse signals with variable pulse width // Book of Abstracts Euro Electromagnetics (EUROEM)'2000. - Edinburgh, (UK). - 2000. - P. 116.

13. Почанин Г.П., Холод П.В. Антенны большого тока // Научно-практическая конференция "Георадар в России 2000". - Москва (Россия). - 2000. - С.21-22.

14. Pochanin G.P. The experiments on radiation of short pulse signals by the large current radiators of Dr. H.F.Harmuth // The First International Workshop “Ultra Wideband and Ultra Short Impulse Signals”. - Kharkov, (Ukraine). - 2002. - Proceedings of the conference on CD.

Размещено на Allbest.ru