Управление уровнем бокового и заднего излучения антенн на основе применения импедансных структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление уровнем бокового и заднего излучения антенн на основе применения импедансных структур

М.Ю. Звездина

Рассмотрены возможности использования импедансных покрытий для уменьшения уровня бокового и заднего излучения антенной системы. На примере дуговой антенной решетки продольных щелевых излучателей получены оценки снижения уровня бокового и заднего излучения при использовании поверхностей с емкостным характером импеданса. Дано сравнение с результатами, полученными на основе реализации спадающего амплитудно-фазового распределения в антенне.

Существующие в настоящее время тенденции, связанные с расширением используемого диапазона электромагнитных волн, увеличением числа передающих и принимающих антенн, располагаемых на одних и тех же несущих конструкциях, усугубляют и без того серьезную проблему обеспечения в радиотехнических комплексах электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных средств различного назначения [1-3]. В качестве несущих конструкций в последних широкое применение находят металлические цилиндры кругового сечения, например, на передающих теле- и радиоцентрах, телескопически выдвигаемых мачтах и т.д. В этом случае вопросы снижения бокового и заднего излучения для обеспечения ЭМС стоят наиболее остро.

Одной из возможностей снижения уровня бокового и заднего излучения является использование спадающего по раскрыву антенной решетки (АР) амплитудно-фазового распределения (АФР) [4]. Другое направление связано с нанесением покрытий импедансного типа на несущие конструкции [3, 5]. При этом следует подчеркнуть, что данное направление может иметь как самостоятельное применение, так и использоваться в качестве дополнительных мероприятий.

Применение импедансных покрытий, реализуемых на основе гребенчатых структур или магнитодиэлектриков [3, 5, 6], позволяет трансформировать пространственные поля в поверхностные волны, амплитуды которых могут быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить уровень бокового и заднего излучения существенно более низкий, чем при размещении тех же антенн на металлических конструкциях. В то же время данные вопросы для произвольного, в общем случае, анизотропного импеданса, несмотря на имеющиеся работы [5-8], исследованы недостаточно. Таким образом, рассматриваемые в данной статье вопросы являются актуальными как в научном, так и в практическом плане.

Целью данной статьи является исследование влияния поверхностного импеданса на уровень бокового и заднего излучения дуговой АР продольных щелевых излучателей, расположенных на поверхности кругового цилиндра.

Рассмотрим дуговую АР из N продольных щелевых излучателей, расположенных на поверхности кругового цилиндра радиуса a. Геометрия задачи приведена на рис.1. На поверхности цилиндра заданы импедансные граничные условия, характеризуемые тензором . Зависимость всех величин от времени, описываемая множителем , здесь и далее опущена.

По аналогии с представлением поля излучения электрического вибратора, расположенного вблизи импедансного кругового цилиндра [9, 10], выражение для -компоненты () ДН, соответствующей распределению напряженности электрического поля в дальней зоне, дуговой антенной решетки продольных щелевых излучателей может быть записано в виде:

, (1)

где ;

- угловое положение n-го излучателя;

- комплексная амплитуда возбуждения n-го излучателя;

i - мнимая единица;

;

- момент магнитного диполя.

Коэффициенты находятся из решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на круговом цилиндре с заданными импедансными граничными условиями и описываются выражениями [9, 11]:

для рабочей поляризации

(2)

,

для ортогональной поляризации

, (3)

где - функция Ганкеля 2-го рода q-го порядка и ее производная; ; ; Ом; ; - волновое число; - длина волны.

Для антенной решетки с излучателями в виде продольных щелей выделенным направлением, в котором изменением параметров поверхностного импеданса можно управлять (снижать) уровень бокового и заднего излучения, является направление, перпендикулярное образующей цилиндра (сечение плоскостью ). В качестве импедансного покрытия при данном типе излучателей можно использовать либо гребенчатую структуру, ребра которой параллельны образующей цилиндра, либо тонкий слой магнитодиэлектрика, нанесенный на металлическую поверхность цилиндра.

При реализации поверхностного импеданса гребенчатой структурой с шириной , глубиной d и периодом следования канавок , заполненных диэлектриком с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями, элементы тензора поверхностного импеданса Z могут быть описаны с использованием выражений [3]:

(4)

При нанесении на металлическую поверхность кругового цилиндра тонкого слоя толщиной dмагнитодиэлектрика с параметрами элементы тензора Z определяются формулой [12]:

. (5)

Условием возбуждения поверхностных волн, позволяющих снизить уровень бокового и заднего излучения, для рассматриваемого в данной работе типа излучателя является реактивный емкостной характер величины поверхностного импеданса [3, 6]. Появление положительной реальной части у величины поверхностного импеданса не оказывает значительного влияния на снижение уровня бокового и заднего излучения, но приводит к росту тепловых потерь в раскрыве и, соответственно, к снижению коэффициента полезного действия антенной системы.

С использованием представленных соотношений на примере 9-элементной дуговой антенной решетки продольных щелевых излучателей, расположенных на круговом цилиндре, были проведены исследования влияния параметров и типа поверхностного импеданса на уровень бокового и заднего излучения. В качестве импедансных структур рассматривались реализующие одни и те же значения поверхностного импеданса гребенчатая структура и слой магнитодиэлектрика.

Результаты исследований (сечения объемной диаграммы направленности рабочей поляризации плоскостью ), выполненных для цилиндров радиусов , и приведены на рис.2-4 соответственно. При этом рисунки с индексом "а" иллюстрируют случай, когда импедансные покрытия используются в качестве основной меры снижения уровня бокового и заднего излучения при равноамплитудном возбуждении антенны, а рисунки с индексом "б" - в качестве дополнительного средства к применяемому спадающему АФР. При формировании диаграммы направленности на основе использования спадающего амплитудно-фазового распределения для сохранения параметров ДН (ширина главного максимума, уровень боковых лепестков) рассматривалась 10-элементная АР, АФР в которой описывалось законом:

, . (6)

Кривыми 1 и 2 на рис.2-4 обозначены сечения основной () компоненты ДН, соответствующие идеально проводящей поверхности кругового цилиндра () и импедансу боковой поверхности , , реализуемому гребенчатой структурой с параметрами: , , [3]. Выбор указанного значения поверхностного импеданса емкостного типа проводился последовательным изменением в интервале .

Проведенные исследования показали, что в случае использования импедансных покрытий в качестве основного средства снижения уровня бокового и заднего излучения при равноамплитудном возбуждении антенны для рассматриваемых радиусов цилиндра уменьшение значения поверхностного импеданса ниже практически не приводит к изменению уровня боковых и задних лепестков, но вызывает снижение коэффициента полезного действия антенной системы. Данное обстоятельство обусловило выбор величины поверхностного импеданса на значении . Достигаемое при этом снижение уровня первого бокового лепестка составляет 1ј1.5 дБ, а уровня заднего излучения - 4.5ј6дБ.

Применение спадающего амплитудно-фазового распределения в качестве самостоятельной меры дает возможность обеспечить более низкий уровень боковых лепестков, но приводит к повышению уровня заднего излучения по сравнению со случаем использования импедансных покрытий. При этом при малых радиусах цилиндра уровень задних лепестков практически совпадает с уровнем заднего излучения, полученного при равноамплитудном возбуждении для идеально проводящих поверхностей. Нанесение импедансных покрытий в дополнение к применению спадающего амплитудно-фазового распределения позволяет на 4ј4,5 дБ снизить уровень заднего излучения антенны и на 0.5ј1.5 дБ - уровень боковых лепестков.

Использование покрытий импедансного типа, в отличие от идеально проводящих поверхностей, приводит к появлению ортогональной поляризации в излучении антенны. Однако уровень данной компоненты излучения при рассматриваемых параметрах антенной решетки не превышает -50 дБ. импедансный излучение антенный амплитудный

Одними из важных характеристик применения импедансных структур для снижения уровня бокового и заднего излучения являются полосы частот и значений поверхностного импеданса, при которых ее можно использовать. Выполненные исследования показали, что для рассматриваемых радиусов кругового цилиндра при отклонении рабочей частоты от номинала на ±5 % практически не происходит изменение уровня первого бокового лепестка, а изменение уровня заднего излучения не превышает 0.5 дБ. Аналогичный вывод может быть сделан и в отношении точности реализации параметров импедансного покрытия.

Таким образом, использование импедансных покрытий позволяет:

при сохранении равноамплитудного возбуждения обеспечить снижение уровня бокового и заднего излучения АР на круговом цилиндре по сравнению с идеально проводящей поверхностью при том же числе излучателей;

по сравнению с АР со спадающим амплитудно-фазовым распределением уменьшить число излучателей при сохранении ширины главного максимума ДН и обеспечении более низкого уровня бокового излучения и дополнительном снижении уровня заднего излучения;

при использовании в качестве дополнительного средства к спадающему АФР обеспечить более низкий уровень как бокового, так и заднего излучения антенны.

Литература

1. Проблемы антенной техники /Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1989. - 368 с.

2. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1984. - 336с.

3. Бененсон Л.С., Кюркчан А.Г. Метод развязки антенн при помощи периодических структур // Радиотехника. 1995. № 12. С.62-69.

4. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток / В.С. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др; Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1994. - 592 с.

5. Кюркчан А.Г., Зимнов М.Х. Связь между антеннами на цилиндре в присутствии ребристых структур // Радиотехника и электроника. 1985. Т.30. №12. С.2308-2315.

6. Уэйт Д.Р. Электромагнитное излучение из цилиндрических систем. - М.: Сов. радио, 1963. - 239 с.

7. Шевченко В.В. Плавные переходы в открытых волноводах. Введение в теорию. - М.: Наука, 1969. - 192 с.

8. Терешин О.Н., Седов В.М., Чаплин А.Ф. Синтез антенн на замедляющих структурах. - М.: Связь, 1980. - 136 с.

9. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю. Влияние импедансной поверхности кругового цилиндра на диаграмму направленности электрического диполя // Радиотехника и электроника. 2000. Т.45. № 10. С.1194-1198.

10. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю. Излучение линейной антенны, ориентированной продольно импедансному цилиндру // Акустический журнал. 1997. Т.43. № 4. С.548-550.

11. Zvezdina M.Yu., Stepanov A.S., Kharchenko V.V., Chernov S.V. Scattering plane electromagnetic wave by impedance circular cylinder // Proc. 3rd Int. Conf. Antenna Theory and Techniq. Sevastopil, Ukraine, 8-11 Sept., 1999. P.113-115.

12. Халиуллин Д.Я., Третьяков С.А. Обобщенные граничные условия импедансного типа для тонких плоских слоев различных сред (обзор) // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. № 1. С.16-29.

Размещено на Allbest.ru