CC BY
110
УДК 621.396.67
АНТЕННА СВЧ-ДИАПАЗ ОНА С ПЛОСКИМ РЕБРИСТЫМ ЗЕРКАЛОМ И МАЛОЙ ВЫСОТОЙ ПОДВЕСА ОБЛУЧАТЕЛЯ
А.В. Останков
Рассмотрена широкополосная зеркальная антенна. Зеркало антенны реализовано в виде дифракционной решетки. Глубина канавок решетки изменяется вдоль раскрыва так, чтобы обеспечить идентичность фаз отраженных от дна канавок лучей в плоскости излучаемой волны. Предложено существенно уменьшить высоту подвеса облучателя по сравнению с традиционным вариантом. Рассмотрены возможные пути уменьшения глубины профиля зеркала. Приведены расчетные характеристики вариантов реализации антенны
Ключевые слова: антенна, зеркало, решетка, высота подвеса облучателя, диаграмма направленности
В настоящее время в антенной технике СВЧ-диапазона господствуют зеркальные параболические антенны. Широкая полоса частот, хорошие направленные свойства, невысокая стоимость таких антенн позволяют использовать их как в профессиональных системах связи, так и в быту. Однако в ряде случаев их использование нежелательно из-за больших габаритов, обусловленных необходимостью размещения облучателя в фокусе зеркала. В этих случаях применяют другие типы антенн, в частности, имеет смысл использовать, например, антенну с плоским ребристым зеркалом [1].
Зеркало такой антенны представляет собой металлическую отражательную решетку (рис. 1, линейный вариант антенны). Канавки решетки размещены с одинаковым шагом, глубины канавок изменяются вдоль длины зеркала по определенному закону. Возбуждение производится облучателем. Если луч, «засвечивающий» каждую канавку, будет проходить одинаковый путь от облучателя до плоскости фронта отраженной волны с учетом двойного прохождения канавки (рис. 2), то в этой плоскости фазы всех лучей будут одинаковыми, и антенна в этом направлении будет эффективно излучать. Направление излучения будет неизменным в широкой полосе частот, поскольку идентичность фаз отраженных лучей в плоскости излучаемой волны обеспечивается за счет равенства пройденного лучами расстояния.
Рис. 1. Внешний вид антенны
Останков Александр Витальевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, E-mail: [email protected]
Пусть период решетки ё, общее число канавок N. Если фазовый центр синфазного излучателя размещен в точке (х0, zo), а направление переизлучения волны решеткой определяется углом ©0 (рис. 2), то выражение, определяющее необходимую глубину 1-й канавки в предположении, что км = 0, имеет вид
к =0■5■{^j\[N-І)■d—Xo\2+z0 — (1)
—дД(/ —1)ё—Хо] +^2 —(N—/)ё ■81П©0}.
На рис. 3 изображен профиль зеркала, рассчитанный по формуле (1) для х0 = — ё/2, = 25ё, ©0 = 45°,
N = 70. Рис. 3 дает представление о типичной форме профиля зеркала, реальном соотношении его продольного (Ь) и поперечного (ктах) размера.
...................................................
Рис. 3. Типичный профиль зеркала антенны
В [1] показано, что высота подвеса облучателя существенно влияет на максимальную глубину ктах канавок и длину Ь зеркала. На рис. 4 показана расчетная зависимость глубины к1 канавки зеркала от текущей ее координаты для угла фазировки ©0 = 45° и разных значений высоты подвеса облучателя 20 = (0.2...0.5)Ь. Точка пересечения кривой к1 /Ь с осью абсцисс определяет часть ЬЭ/Ь раскрыва с физически реализуемой глубиной канавок (к1 /Ь > 0). Часть раскрыва зеркала длиной Ь1/Ь не используется для формирования переотраженной волны (так как к1 /Ь < 0) и она должна быть исключена из конструкции, в результате чего облучатель следует располагать с некоторым смещением от края рефлектора,
равным х0 = —Ь\. Для угла фазировки ©0 = 45° вариант реализации рефлектора с высотой подвеса (0.35...0.37)-Ь является, по-видимому, более выгодным с точки зрения эффективности использования раскрыва. Из рис. 4 видно, что снижение высоты подвеса облучателя приводит к значительному возрастанию максимальных глубин канавок, определяющих толщину зеркала.
координаты для разных значений высоты подвеса облучателя при ©0 = 45°
На рис. 5 изображен профиль рефлектора, рассчитанный по формуле (1) и дающий представление о форме зеркала и реальном соотношении его продольного размера и глубины при уменьшенной в три раза высоте подвеса облучателя: 20 = 8 ■ ё. Расчет показывает, что совокупный поперечный размер антенны по сравнению с исходным уменьшился в 1.8 раза, глубина профиля возросла в 2.2 раза. Полученный профиль слишком глубок для практической реализации такого зеркала.
И11111111111111...............................
Рис. 5. Профиль зеркала антенны при уменьшении высоты подвеса облучателя в три раза
Уменьшить максимальную глубину канавок такого профиля можно несколькими способами. Первый способ заключается в увеличении абсолютного значения угла фазировки ©0. Как показывает соотношение (1), увеличение угла фазировки при фиксированной (нулевой) глубине последней канавки и заданном положении облучателя должно приводить к уменьшению глубины профиля рефлектора (рис. 6). Однако увеличение угла фазировки излучения антенны приводит к расширению основного лепестка диаграммы направленности, существенному снижению коэффициента направленного действия (КНД) антенны (рис. 7) и увеличению уровня бокового излучения. Так, при увеличении угла ©0 до 60° максимальная глубина канавки уменьшается в 2.6 раза, но почти в 1.5 раза увеличивается ширина диаграммы направленности и снижается КНД. Кроме того, начиная с некоторого значения угла фазировки
заметно увеличивается продольный размер антенны за счет необходимости смещения облучателя от края рефлектора. Тем не менее, если такое ухудшение характеристик антенны в совокупности с изменением ориентации главного луча допустимы, рассмотренный вариант может быть реализован. Совокупный поперечный размер антенны при ©0 = 63° меньше исходного в 2.8 раза.
Рис. 6. Зависимость глубины зеркала от угла фазировки при фиксированной высоте подвеса облучателя
Рис. 7. Зависимость КНД решетки от угла фазировки при фиксированной высоте подвеса облучателя
Вторым возможным способом уменьшения глубины профиля ребристого зеркала при сохранении исходного направления фазирования является применение диэлектрических вставок в наиболее глубоких канавках.
Из электродинамики волноводных структур известно, что заполнение диэлектриком металлического волновода приводит к увеличению его электрических размеров. Следовательно, уменьшить фактическую глубину канавок можно, заполнив их диэлектриком с малыми потерями.
Будем полагать, что корректируемый профиль рефлектора приведен на рис. 5. Если канавки с фактической глубиной к1 заполнить диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью 6, то электрическая глубина канавок будет равна к1 /^6. Тогда фактическую глубину каждой канавки можно уменьшить в .^/е раза. Заполнение (уменьшение глубины) целесообразно проводить не всех канавок, а лишь тех, глубина которых превышает величину ктах Л/6, где ктах - максимальная глубина профиля рефлектора без диэлектрических корректоров. Пусть относительная диэлектрическая проницаемость материала вставок равна е = 2.56 (полистирол), тогда профиль рефлектора для угла фазировки 45° будет
иметь вид, показанный на рис. 8. Максимальная глубина канавок зеркала при этом лишь в 1.3 раза больше исходного варианта, что вполне допустимо. Совокупный поперечный размер антенны при этом в 2.3 раза меньше исходного.
...........................................................
Рис. 8. Скорректированный профиль зеркала с учетом диэлектрических вставок
Для расчета характеристик антенны излучения использована математическая модель рассеяния волны со сложным фазовым фронтом на конечной периодической решетке с канавками разной глубины, разработанная автором и изложенная в [2,3]. В основу положено представление фронта волны облучателя локально-плоским в совокупности точек раскрыва зеркала [2] и электродинамический анализ резонансного рассеяния плоской волны с ограниченным в пространстве фронтом на размещенном в экране рефлекторе конечной длины [3]. Последний реализован на основе метода частичных областей с использованием представления поля в свободном пространстве в виде непрерывного Фурье-спектра. Ниже приведены основные математические соотношения этой модели - система уравнений и наиболее важные коэффициенты:
N М
II 0кт [Лт ^-ёСЛткк )^кт^ +Уа■ АкАт (1+А )/2]
к=1 т=0
к (2)
=^00 (Х1 )е—;Р0-Х- [I(Р01 )+У01 ^ (Ра)],
/=1
где д=1..^,5=0...М, пт =л/^0 —(тп/а)2, А1Г - символ Кронекера, Q0(х) - функция, описывающая распределение поля облучателя в плоскости г = 0,
У01 =л/—Ро1, Р01 = ^0'(х1 — Х0)/R1, ^0 =2п/^0,
а ^2
^ктде = 2 1Н0^0 |Х+Хк — Хч |) | с05[тп(-Х+^)]с05(£^)ё^ёг,
—а £1
П2 Ц2
^(Р)=1 1Н 01)(&0>1 Х+Хд —||) 1 со8(^) ■ е Ж^—х) ёуёх,
П1 ^1
Х1
1Ч8 (Р) = 1с08[5п( х—Хч + а/2)/а] ■ е ^Хёх.
Х2
Система уравнений (2) решается относительно амплитуд волноводных мод 0кт, возбуждаемых в канавках; на их основе рассчитывается диаграмма направленности и другие характеристики антенны. Учет диэлектрического заполнения /-й канавки производится заменой пт на Пт =л/■ е—(дап/а)2 /е.
Рассмотрим конкретные характеристики направленности антенны, облучатель которой формирует волну с цилиндрическим фазовым фронтом и «засвечивает» в плоскости раскрыва решетки только лишь область ЬЭ, содержащую канавки. Полагаем, что фазовый центр облучателя размещен в точке с координатами х0 = — ё/2, г0 = 25ё, ширина канавок
взята равной половине периода решетки, число канавок N = 70, а фазировка антенны производится в направлении ©0 = 45°. На рис. 9 в логарифмическом масштабе изображены нормированные диаграммы направленности (ДН) антенны на четырех частотах /= 0.2, 0.3, 0.4 и 0.5- сШ, где с - скорость электромагнитной волны в вакууме).
г
Рис. 9. ДН исходного варианта антенны (z0 = 25-d) на частотах 0.2 (а), 0.3 (б), 0.4 (б) и 0.5^c/d (г) для угла фазировки 45° и профиле зеркала, показанном на рис. 3
Результаты расчета, отраженные на рис. 9 и соответствующие 2.5-кратному перекрытию по частоте, подтверждают широкополосные свойства исходного варианта антенны. Фазировка антенны на всех частотах сохраняется неизменной, эффективность главного луча (Ео) более 50 %, уровень боковых ле-
пестков около "минус" 10 дБ. Ширина ДН на нижней частоте больше значения на верхней на 3.1°, максимальная разница КНД - 52 % от значения на верхней частоте.
На рис. 10 изображены расчетные ДН антенны при уменьшенной высоте подвеса облучателя z0 = 8 d и увеличенном значении угла фазировки ©0 = 63°.
г
Рис. 10. ДН антенны при малой высоте подвеса облучателя (г0 = 8 - й) и увеличенном значении угла фазировки 63° на частотах 0.2 (а), 0.3 (б), 0.4 (б) и 0.5-с/й (г)
Из результатов расчета следует, что антенна со сниженной высотой подвеса облучателя и увеличенным значением угла фазировки в целом обеспечивает заданное направление максимального излучения: 63°±0.7°. С увеличением частоты ширина ДН меняется от 9.9° (на нижней частоте) до 3.7° (на
верхней), что в 1.8 раза больше исходного варианта реализации. Эффективность главного луча в среднем хуже в 1.4 раза, уровень максимального бокового излучения несколько выше лишь на верхних частотах. КНД антенны по сравнению с исходным вариантом реализации антенны меньше в 1.5 раза, однако, в исследованной полосе частот распределен более равномерно и отклоняется от максимального на 41 %.
На рис. 11 приведены ДН антенны с малой высотой подвеса облучателя, исходным направлением фазирования (©0 = 45°) и диэлектрическими корректорами в канавках решетки (профиль зеркала показан на рис. 8).
г
Рис. 11. ДН антенны с малой высотой подвеса облучателя, исходным направлением фазирования (45°) и зеркалом, содержащим диэлектрические вставки
Из рис. 11 видно, что антенна с диэлектрическими вставками в канавках также является широкополосной. В частности, направление максимального излучения в исследуемой полосе частот сохраняется практически неизменным: 45°±0.5°, КНД антенны снижается на нижней частоте на 49 % относительно максимального значения, эффективность главного луча меняется не более чем на 12 %. Однако ДН в среднем несколько хуже, показанных, например, на рис. 3.10. Действительно, КНД антенны уменьшился по сравнению с предыдущим вариантом в среднем в 1.2 раза, по сравнению с исходным вариантом - в 1.8 раза, что соответствует снижению коэффициента усиления на 2.6 дБ. Заметно меньше эффективность главного луча, несколько выше уровень внеполосного излучения.
Таким образом, анализируя возможные варианты реализации антенны с малой высотой подвеса облучателя, приходим к следующим выводам:
- оба рассмотренных варианта являются широкополосными и могут быть использованы на практике; уменьшение поперечного размера в 2.3-2.8 раза достигается ценой двукратного снижения коэффициента усиления и соответствующего увеличения уровня боковых;
- в случае отсутствия жестких ограничений на направление максимального излучения и продольный размер антенны уменьшение глубины профиля ребристого зеркала целесообразно за счет увеличения угла фазировки, в противном случае - за счет частичного заполнения канавок диэлектриком.
В заключение приведем основные расчетные характеристики неоптимизированного линейного варианта антенны с уменьшенным значением высоты подвеса облучателя и скорректированным профилем рефлектора применительно сантиметровому диапазону длин волн:
диапазон рабочих частот - 5.0 - 12.5 ГГц; период следования канавок рефлектора - 12 мм; ширина канавок - 6 мм; число канавок в составе рефлектора - 70; длина рефлектора антенны - 850 мм; сме-
щение фазового центра линейного синфазного излучателя относительно края зеркала - 3 х 96 мм; угол фазировки - 45°; глубина канавок - в соответствии с профилем на рис. 8 (максимальная глубина 56.8 мм); материал диэлектрических корректоров - полистирол; размеры корректоров совпадают с размерами первых 36-ти канавок; угол максимального приема (излучения) - 44.5 - 45.0°; ширина ДН по уровню "минус" 3 дБ - 5.8 - 2.4°; эффективность главного луча ДН - 39.6 - 27.4 %; КНД с учетом направленности в вертикальной плоскости - 13.5 - 26.4; уровень боковых лепестков ДН - "минус" 6.0 - 8.4 дБ; максимальное значение полного КНД (с учетом направленности в обеих плоскостях и ширине рефлектора 500 мм) - 800; максимальный коэффициент усиления (с учетом КПД облучателя 0.8) - 28 дБ; коэффициент использования поверхности - 0.4.
Следует отметить, что приведенные выше расчетные характеристики антенны могут быть улучшены на основе дополнительной оптимизации геометрии рефлектора и облучателя.
Литература
1. Сестрорецкий Б.В. Широкополосная плоская отражающая антенна с наклонным лучом / Б.В. Сестрорецкий, Б.А. Пригода, С.А. Иванов // Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи : Сб. тр. III Меж-дунар. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГУ, 1997. - Т. 2. -С. 255-263.
2. Останков А.В. Математическая модель зеркальной антенны с плоским ребристым зеркалом / А.В. Останков, В.Н. Фролов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1. - № 11. -С. 99-102.
3. Останков А.В. Дифракция локальной плоской волны на отражательной квазипериодической решетке / А.В. Останков // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - Т. 2. - № 1. - С. 101104.
Воронежский государственный технический университет
THE AERIAL OF ULTRA HIGH FREQUENCY RANGE WITH A FLAT RIDGE MIRROR AND SMALL HEIGHT IRRADIATOR MECHANISM ATTACHMENT
A.V. Ostankov
The broadband mirror aerial is considered. The aerial mirror is realised in a kind diffraction grating. The depth of flutes of a grating change lengthways opening so that to provide identity of phases of the flutes of beams reflected from a bottom in a plane of a radiated wave. It is offered to reduce essentially the height irradiator mechanism attachment of an irradiator in comparison with traditional a variant. Possible ways of reduction of depth of a profile of a mirror are considered. Accounts characteristics of variants of realisation of the aerial are considered
Key words: the aerial, a mirror, a grating, height irradiator mechanism attachment, the orientation diagram
