научная статья по теме МЕТОД СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ОБРАТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РУПОРНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МЕТОД СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ОБРАТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РУПОРНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 4, с. 364-368

АНТЕННО-ФИДЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 621.396.67

МЕТОД СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ОБРАТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РУПОРНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ © 2015 г. Я. И. Лепих, А. А. Карпенко

Межведомственный научно-учебный физико-технический центр МОН и НАН Украины при Одесском национальном университете им. И.И. Мечникова Украина 65082, Одесса, ул. Дворянская, 2 E-mail: ndl_lepikh@onu.edu.ua Поступила в редакцию 09.01.2014 г.

Предложен и разработан метод уменьшения уровня обратного электромагнитного излучения, возникающего на кромке выходного отверстия рупорного сверхвысокочастотного излучателя. Метод основан на возбуждении замедленных поверхностных электромагнитных волн на внешней стороне кромки раскрыва рупорного излучателя с последующей трансформацией их в пространственные электромагнитные волны, находящиеся в противофазе с электромагнитными волнами обратного излучения. Метод апробирован на примере рупорного излучателя пирамидального типа с криволинейными стенками комбинированной формы. Проведено компьютерное моделирование такого излучателя.

DOI: 10.7868/S0033849415030134

ВВЕДЕНИЕ

Рупорные излучатели (РИ) благодаря простоте конструкции и высоким техническим характеристикам широко применяют в современных радиоэлектронных системах связи, радиолокации, телерадиовещании, а также в космических летательных аппаратах.

Главными достоинствами РИ являются высокая направленность излучения, широкий диапазон рабочих частот, высокий коэффициент полезного действия и возможность излучать электромагнитные волны большой мощности. Однако существует ряд недостатков РИ, в числе которых отметим возникновение обратного излучения в область пространства за РИ, обусловленное переизлучением электромагнитных волн токами, наводимыми в контуре кромки раскрыва РИ, вследствие чего появляются задние лепестки диаграммы направленности (ДН).

На основе теории нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами и обобщения теории цепей на волновые системы [1, 2] был создан класс РИ с криволинейными образующими. Такой класс РИ имеет, в частности, меньший коэффициент отражения энергии электромагнитного поля в питающий волновод и коэффициент дисперсии энергии поля основной гармоники излучения внутри РИ на множестве мод высших гармоник по сравнению с РИ с прямолинейными образующими при прочих равных условиях. Такое усовершенствование достигнуто, в частности,

путем применения в РИ комбинированных форм криволинейных образующих [3, 4].

В данной работе предложен и разработан метод уменьшения уровня обратного излучения, возникающего на кромке выходного отверстия РИ, который применен к пирамидальному РИ с криволинейными стенками комбинированой формы.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ЕЕ РЕШЕНИЕ

Пусть дан рупорный пирамидальный излучатель волн сверхвысокой частоты (СВЧ) с криволинейной образующей комбинированной формы (рис. 1). Требуется максимально снизить уровень обратных лепестков его ДН без ухудшения других характеристик. Разместим на внешней стороне кромки раскрыва РИ замедляющую структуру гребенчатого типа в виде плоской металлической импедансной гребенки, как показано на рис. 1. Назовем ее первый гребень со стороны раскрыва РИ контуром А, последний гребень — контуром В. Источниками электромагнитного поля, вызывающего обратное излучение РИ, являются переменные токи, наведенные в контуре А, излучающие в пространство электромагнитные волны с длиной ^о и фазой фА. Условно разделим все пространство на две области: область обратного излучения, находящуюся за РИ, и область прямого излучения, расположенную впереди раскрыва РИ. Плоскость раздела этих областей совпадает с плоскостью контура А.

8

Рч

«

Я

о

о £

св Л

ю о о

я

о ч т

св Л С

се

МЕТОД СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ОБРАТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

365

Рис. 1. Пирамидальный РИ со сниженным уровнем обратного излучения; 1 — пирамидальный РИ с криволинейными стенками комбинированой формы, 2 — замедляющая структура гребенчатого типа в виде плоской металлической им-педансной гребенки в разрезе, 3 — ребро металлической гребенки, I — длина металлической гребенки, т — период гребенки, ¿1 — толщина гребней, к — высота гребней. Ед, — векторы электрической составляющей электромагнитного поля, излученного контурами А и В соответственно.

Тогда электромагнитные волны, излученные контуром А, пройдя расстояние, равное длине гребенки I за время ?зад, наведут переменные токи в контуре В. В результате получится система, состоящая из двух излучающих контуров: активного А и пассивного В, причем фаза излучения ф в контура В будет отставать от фазы фА на время, необходимое электромагнитной волне для преодоления расстояния I.

Необходимо определить такое время задержки 4ад, при котором в точке, совпадающей с контуром В, фазы фА и фв различаются на величину я:

Фл - Фв = п

или

' зад '0 — „ ,

(1)

(2)

где ^ — время, необходимое для преодоления электромагнитной волной, излученной контуром А, расстояния I без задержки со скоростью света с:

t = _

зад >

V

(3)

V — скорость поверхностной электромагнитной волны, которая замедляется при прохождении через импедансную гребенку; с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; —

'о =■

длина волны, соответствующая середине рабочего диапазона

_ с

Тогда

_ _ _ = . V с 2с

Решение уравнения (5) относительно скорости дает

(4)

(5)

V = с

I

X о

(6)

^ +1 2

При выполнении равенства (6) электрические и магнитные векторы полей, излученных контурами А и В, в дальней зоне будут находиться в противофазе, а результирующая плотность потока мощности будет стремиться к нулю. В области прямого излучения в дальней зоне фазы фА и фв будут совпадать, поскольку волна проходит между контурами расстояние, равное 21 (туда и обратно), за время, равное полному периоду колебаний 2'зад = Т. Поэтому снижения излучаемой мощности не произойдет.

Для выполнения условия (6) необходимо уменьшить скорость V распространения электромагнитных поверхностных волн между контурами А и В по всей длине импедансной гребенки I.

При взаимодействии пространственной электромагнитной волны с импедансной металличе-

ской гребенкой над ее поверхностью возникают замедленные поверхностные волны. Электродинамика данного процесса достаточно подробно изложена в [5—7].

Скорость замедленной поверхностной волны над замедляющей структурой гребенчатого типа в виде плоской металлической импедансной гребенки рассчитывается по формуле [6]

с

V

1 + 1Т-Ач 2П( - 0.14 ( + т))

т X 0

(7)

Выражение (7) справедливо при выполнении условий [5, 6, 8]

л

0 < к < ^^ 4

Л

< к <

3Л„

(8)

2 4

где Хмакс — максимальная длина волны рабочего диапазона;

т < 0.5А,0, ё < т,

(9)

I = (6 ...8Я 0

(10)

Подставляя в уравнение (1) выражение (7) и учитывая неравенства (8)—(10), запишем решение задачи о снижении уровня обратного излучения РИ с криволинейной образующей комбинированной формы в виде системы уравнений и неравенств:

^ +1 2

I/ = (6 -.8)^0,

т < 0.5Х0, ё < т,

(11)

0 < к < X

X,

3Х,

< к < 2 4

Методом компьютерного моделирования с учетом (11) спроектирован РИ с криволинейными образующими комбинированной формы со сниженным уровнем обратного излучения (рис. 2) со следующими параметрами:

МЕТОД СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ОБРАТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

367

Рис. 3. ДН РИ со сниженным уровнем обратного излучения. Сплошная линия — ДН компьютерной модели РИ, штриховая линия — ДН аналогичного по размерам РИ, но без импедансной гребенки.

а) минимальной длиной волны рабочего диапазона ^мин = 24 мм;

б) максимальной длиной волны рабочего диапазона ^макс = 36 мм;

в) длиной горизонтального ребра выходного отверстия апертуры РИ Aр = 100 мм;

г) высотой ребер к = 3 мм;

д) толщиной ребра d = 0.5 мм;

е) периодом гребенки т = 5 мм;

ж) длиной гребенки I = 210 мм.

Глубина канавок в начале и в конце металлической гребенки изменяется по экспоненциальному закону для сглаживания границы перехода между пространственной и поверхностной волнами [9].

В полярной системе координат построены нормированные ДН (рис. 3) компьютерной модели РИ со сниженным уровнем обратного излучения (сплошная линия) и аналогичного по размерам РИ без импедансной гребенки (штриховая линия).

ВЫВОДЫ

Разработанный метод уменьшения уровня обратного излучения рупорного излучателя с криволинейными образующими при использовании плоской гребенчатой структуры позволяет существенно снизить уровень заднего лепестка его ДН.

При угле наблюдения 9 = 90° относительно максимума излучения в РИ с импедансной гребенкой напряженность электромагнитного поля уменьшается, а у РИ без импедансной гребенки, наоборот, в данной точке наблюдается рост уровня электромагнитного поля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нейман М.С. Обобщение теории цепей на волновые системы. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1955.

2. Каценеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Изд-во АН СССР, 1961.

3. Карпенко А.А., Лепих Я.И. // РЭ. 2008. Т. 53. № 7. С. 818.

4. Карпенко А.А., Лепих Я.И. // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2008. Т. 51. № 5—6. С. 22.

5. Бененсон Л.С., Кюркчан А.Г. // Радиотехника. 1995. № 12.С. 62.

6. Лобкова Л.М. Проектирование антенн и устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов. Севастополь: Изд-во Севастоп. национал. техн. ун-та, 2002.

7. Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Костенко П.И. // Радиоэлектроника. 2003. № 2. С.38.

8. Карпенко А.А., Лепих Я.И. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2007. № 2 (68) С. 38.

9. Карпенко А.О., Летх Я.1. Рупорний трамщальний випромшювач електромагштних хвиль НВЧ дiапа-зону. Патент на корисну модель ИЛ № 75105 (51)МПК (2012.01) Н0Щ 13/00, опубл. 26.11.2012, бюл. №22/2012.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком