CC BY
302
УДК 621.396.965
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГИБРИДНОМОДОВЫЕ ОБЛУЧАТЕЛИ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
Р.Н. АКИНШИН, М.С. НОЙОК, Э.В. АМНИНОВ
Проведен анализ возможных вариантов облучателей для малогабаритной зеркальной антенны и обоснованы преимущества выбора варианта гибридномодового облучателя с диэлектрическим конусом, помещаемого в пространство между облучателем и вспомогательным зеркалом. Предложена методика расчета профиля излучающего стержня и решена задача синтеза его преломляющей и отражающей поверхностей.
Ключевые слова: зеркальные антенны, гибридномодовый облучатель.
Применение миллиметрового диапазона длин волн представляет значительный интерес для малогабаритных радиолокационных и связных систем ближнего действия разнообразного народнохозяйственного применения.
Одним из важнейших элементов малогабаритных систем миллиметрового диапазона, в значительной степени определяющим их характеристики, являются антенны. Ограниченные объемы, отводимые для размещения антенн, усложняют их проектирование с применением классических схем построения. Все это делает актуальной задачу реализации малогабаритных остронаправленных антенн с диаметрами апертуры в пределах (10^70)1 или 100^150 мм.
Реализация малогабаритной двухзеркальной антенны при диаметре апертуры меньшем 15 длин волн по классической схеме не позволяет обеспечить требуемый уровень выходных параметров устройства. Анализ схем построения антенн показывает, что существенное улучшение характеристик - повышение коэффициента использования площади (КИП) и получение центросимметрических диаграмм направленности (ДН) может быть достигнуто за счет применения гибридномодовых облучателей.
Повышающиеся требования к параметрам антенн привели к необходимости рассмотрения облучателя во взаимосвязи с другими элементами антенной системы. У ниверсальных облучателей, оптимальных на все случаи, не существует и при проектировании антенны для вновь разрабатываемой системы каждый раз приходится решать задачу создания оптимального облучающего устройства антенной системы (АС), обеспечивающего получение требуемых тактикотехнических характеристик при наложении определенных массогабаритных и эксплуатационных ограничений.
Из возможного разнообразия облучателей, применяемых в сантиметровом диапазоне длин волн, в зеркальных антеннах (ЗА) миллиметрового диапазона широко используются рупорные облучатели, работающие в одномодовом режиме. Простота изготовления таких облучателей не может служить оправданием неравенства ДН в “Е” и “Н” плоскостях, что требуется для низкого уровня кросс-поляризации и “классического” значения КИП антенны.
Существенным этапом совершенствования облучателей явилось возбуждение комбинаций двух и более мод в облучающем устройстве с целью обеспечения симметрии ДН.
При комбинации мод Е11 и Н11 в облучателе можно получить практически симметричную столообразную ДН. Результаты, аналогичные возбуждению Е11 и Н11 в круглом волноводе или коническом рупоре, обеспечиваются путем возбуждения единственной гибридной моды НЕ11, при которой существуют одновременно продольные составляющие полей Е и Н. Зависимость волнового сопротивления от обоих названных составляющих позволяет получить поле желаемой структуры в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн, что позволяет получить диаграмму излучения с круговой симметрией и нулевым уровнем кроссполяризации. Возбуждение таких мод реализуется, если удовлетворяются импендансные граничные условия, что достигается применением ребер волноводных рупорных облучателей, ди-
электрических стенок в облучателях или диэлектрических волноводов.
Анализ возможных вариантов облучателей показывает, что для малогабаритной ЗА наиболее приемлем вариант гибридномодового облучателя с диэлектрическим конусом, помещаемым в пространство между облучателем и вспомогательным зеркалом [1; 2; 4].
Иные типы облучателей не обеспечивают такого сочетания низкого уровня кроссполяризации в широкой полосе рабочих частот при малых габаритных размерах.
Например, гофрированный рупор должен иметь диаметр апертуры порядка 71 и размещаться на расстоянии около 301 от вспомогательного зеркала для того, чтобы вспомогательное зеркало диаметром 5,71 находилось в дальней зоне облучателя. Такое соотношение не допустимо, когда диаметр основного рефлектора меньше 151. Антенны с применением диэлектрического конуса между облучателем и вспомогательным зеркалом обладают рядом преимуществ:
1. Диэлектрический конус позволяет применять для облучения вспомогательного зеркала простой конический рупор.
2. Благодаря значительному внутреннему отражению снижается мощность облучателя, не перехватываемая вспомогательным зеркалом.
3. Фокусирующие свойства диэлектрика позволяют применить вспомогательное зеркало меньших размеров, чем в системах с открытым пространством.
4. Поля, образующиеся в диэлектрическом конусе, подобны полям, образующимся в гофрированном рупоре [3], что ведет к снижению кросс-поляризации и выравниванию ДН в “Е” и “Н” плоскостях.
5. Вспомогательное зеркало крепится на основании диэлектрического конуса, что упрощает конструкцию антенны, исключая элементы крепления вспомогательного зеркала и упрощая довольно сложную задачу правильной юстировки облучателя и вспомогательного зеркала.
6. Исключение элементов крепления вспомогательного зеркала уменьшает обратные отражения и тем самым улучшает согласование облучателя с антенной системой.
Несмотря на значительное время применения диэлектрических гибридномодовых облучателей в ЗА и существенное количество вариантов конструкций с их применением, до настоящего времени не существует методики инженерного проектирования антенн с диэлектрическими гибридномодовыми облучателями, а сведения о них фрагментарно приведены в различных работах [1-4].
Анализ причин низкого уровня характеристик существующих конструкций показывает, что внесение диэлектрического конуса приводит к преломлению лучей, выходящих из него и их перераспределению в пространстве между зеркалами, что вызывает фазовые искажения и неравномерное облучение апертуры основного зеркала. Кроме того, при диаметре вспомогательного зеркала, соразмеримом с длиной волны, имеет место дифракция со сложной структурой, что также существенно сказывается на параметрах АС. Ограниченные размеры АС не позволяют реализовать малогабаритный рупорный облучатель, обеспечивающий высокий коэффициент направленного действия (КНД) и эффективное облучение вспомогательного зеркала.
Результаты оптико-геометрического анализа показывают, что поверхность диэлектрического стержня оставляет без внимания при необходимости достижения высокого уровня параметров антенны с гибридномодовым диэлектрическим облучателем. Поэтому предлагается оптимизировать характеристики облучателя путем профилирования поверхности диэлектрического стержня.
Основные достоинства диэлектрического стержня в пространстве между облучателем и вспомогательным зеркалом достигаются при возбуждении в облучателе гибридной моды НЕ11 . Возбуждение в диэлектрическом стержне волны НЕ11 должно быть максимальным для этой моды. Максимум КНД гибридномодового облучателя соответствует круглой волноводной рупорной апертуре с равномерным распределением поля. Приводимая в работе [3] аналогия между гибридной модой НЕ11 в диэлектрическом конусе и гофрированном рупоре позволяет предпо-
ложить максимум возбуждения волны НЕ11 при вырождении конического облучателя в цилиндрический. Это весьма привлекательно для малогабаритной антенны, в которой размеры всех элементов конструкции ограничены и соизмеримы с длиной волны. Исходя из приведенных предпосылок, в конструкции антенны использовалось возбуждение диэлектрического стержня волноводным облучателем.
Описанный в [1] облучатель в условиях применения высокодобротных диэлектриков с Е=2^2,6 (фторопласт, полиэтилен, полистирол) способен эффективно запитывать рефлекторы с углом раскрыва (120^150)°, т.е. отношением Б/Б=0,3^0,4.
На практике нередко возникает необходимость использования короткофокусных (Б/В<0,25) либо длиннофокусных (Б/Б>0,5) рефлекторов.
В этом случае рассмотренная в [1] методика синтеза облучателя не срабатывает - излучающую поверхность диэлектрического стержня не удается без разрыва состыковывать с питающим волноводом, что резко снижает эффективность облучателя.
Этот недостаток исключается в случае изменения конструкции облучателя - отказа от конической переотражающей поверхности и задании угла выхода луча, излучаемого диэлектрическим стержнем в точке контакта с запитывающим волноводом (рис. 1).
У
Рис. 2. Конструкция диэлектрического стержня
При этом в целях повышения коэффициента использования площади антенной системы (КИП АС) и снижения уровня переотражений целесообразно обеспечить падение этого луча на рефлектор в точке, отстоящей от его оси на ^/2 , где С - диаметр вспомогательного зеркала.
При расчете диэлектрического стержня в этом случае необходимо синтезировать две поверхности - собственно излучающую и переотражающую, которая преобразуется из конуса с прямой образующей в конус с криволинейной образующей.
Расчет ведется пошагово, от точки к точке, а определяемая наружная поверхность описывается некой кривой - в предлагаемой методике окружностью.
Исходными данными для расчета являются: Б - рабочий диаметр параболического рефлектора; Б - фокус рефлектора; С - максимальный диаметр облучателя; ё2 - диаметр запитываю-щего волновода; Е - диэлектрическая проницаемость применяемого диэлектрика.
Профиль параболического рефлектора описывается выражением У2=4БХ. Отсюда
Хо = а,2/ібр.
Вынос питающего волновода из фокуса рефлектора определится как
1 = Бё2/ё1 - ё1ё2/16Б.
Вынос отражателя облучателя из фокуса рефлектора
А = Бё1 /Б - Б^ЛбБ.
(1)
(2)
Высота отражающего элемента облучателя определяется как Ь=((і-А)2-А2 +сі2/4)/(2(і-А-А))
где
A = V((dj -d2)/2)2 + (f-1-d2 /1 6f)2 + (D2 -d?)/16F -
-VE^(t-A)2 + dj2 /4 ^(f-A-D2/16f)+((D-d1)/2)2 /VE +1 - A.
Углы наклона начальных площадок отражающего элемента облучателя анач и поверхности диэлектрического стержня Ьнач (рис. 2) определяется как
анач = (arCt§ d2 / 2(1 - h - A))/ 2, Рнач = аГС1§ (sin Фнач - sin 2^)/(COS фнач - л/Ё COS 2анач)
где Фнач = arCtg (d^2t).
Дальнейший расчет ведется по схеме, приведенной на рис. 3.
Рис. 3. Схема размещения облучателя и зеркала
Рис. 4. Структура зеркальной антенны с диэлектрическим стержнем
Координаты центра и радиус окружности излучающей поверхности определяется как X = [у2 - Х2 + 2УХ18 РНаЧ + ^ - ^У1 + (Б - Л)2 - РНаЧ] /[2У^ РНаЧ - 2X1 - ^ ЬНач + 2(Б - А)];
где
n = Ve
и
у = У1 - (X - Х1 )18 Ьнач; К Ч (X - Х1)2 + (У - у)2.
По аналогии с (1)-(3) из [1] получаем р = г/п + с,
с = - Л + И) + (¿2/4 +(1 - Л - И)- I2 + (¿2/4 / п .
В дальнейшем, изменяя положение рассматриваемой точки от Х1 до Хк через Х,, получим выражение для
У, = У + 7 Я2-(X - X, )2; у = агс1в((У, - У) /(X - X,));
ф = аг^У,/ (Б - X,)]; г = д/ У,2 + (Б - X, )2; у = аг^фп^-ф) /п).
Координаты текущей точки отражающей поверхности облучателя р, и я, определяется как р, = (-В -VВ2 - 4АС) / 2А, я, = У, - (р - X, Му -1), где А = W2/4р2 - г§(у -1); В = 27^4р2 + 2У^(у -1) +1§2 (у - 1^, + 2(Б -1);
С = 72/4р2 - У,2 - 2УiXitg(y -1) - X2tg2(y -1) - (Б -1)2.
Здесь 7 = р2 - X2 + У,2 + 2УiXitg(y -1) + (Б -1)2 и W = 2Xi - 2У^(у -1) - 2(Б -1).
Таким образом, задачу синтеза преломляющей и отражающей поверхностей облучающего диэлектрического стержня можно считать решенной.
Одним из основных требований, предъявляемым к АС, является хорошее (коэффициент
стоячей волны (КСВ) < 1,2) согласование с фидерным трактом. Поскольку появилась дополнительная степень свободы формирования поля в раскрыве антенны - форма поверхности диэлектрического стержня, то отражение от вспомогательного зеркала можно уменьшить, придав ему коническую форму, а требуемое распределение поля будем обеспечивать формой поверхности диэлектрического стержня.
Для двухзеркальной АС с диэлектрическим облучателем требуется, чтобы лучи, выходящие из диэлектрического стержня, совпадали по направлению к фазе с лучами, исходящими из точечного источника, размещаемого в фокусе параболического рефлектора. Таким образом поверхность диэлектрического стержня должна так трансформировать лучи, отраженные от вспомогательного зеркала, чтобы при выполнении закона преломления Снеллиуса они имели направление, совпадающее с лучами, испускаемыми из фокуса основного рефлектора, и формировали сферический фазовый фронт. Для минимизации КСВ антенной системы форму вспомогательного зеркала выберем конической.
Рассматриваемая система представлена на рис. 4. Необходимо синтезировать преломляющую поверхность диэлектрического стержня NP, обладающую способностью преобразования точечного фазового центра облучателя О, во второй точечный фокус, совпадающий с фокусом параболоида основного зеркала F. Трансформируем в соответствии с зеркалом отражения фазовый центр облучателя О в точку его мнимого изображения за плоскостью вспомогательного зеркала О1.
После этого можно рассматривать поверхность диэлектрического стержня как поверхностную линзу, преобразующую точечный фокус О1 в точечный фокус F. Второй находится на расстоянии а от первого, как показано на рис. 4, и представляет собой виртуальный фокус.
Наиболее просто закон преломления можно описать соотношением
dr; = ndp;; n = n1/n2, (4)
где n1 - показатель преломления диэлектрика; n2 - показатель преломления окружающей среды.
Для анализа рассматриваемой системы используем геометрическое соотношение
Г2 = a2 + p2 - 2ap; cos j. (5)
После интегрирования выражения (4) получим p = r / n + c, (6)
где с - постоянная интегрирования, определяемая при r=t; p=a + t для j = 0, т.е.
c = ((a + t)n - t)/n. (7)
При подстановке (5) в (6) получим p2 = (a2 + p2 - 2ap cos j)/ n + c.
После преобразования это выражение можно представить в виде
p = ((cn2 - a cos j)-^(cn2 - a cos j)-(l - n2 )(a2 - с2п2 ))/(1 - n2). (8)
Решая (8) относительно с для заданных значений j, получаем форму поверхности диэлектрического стержня, преобразующую фокус О1 в фокус основного параболического рефлектора F антенной системы. При этом прямая, проходящая через фокус облучателя О и фокус параболоида F, будет осью поверхности преломления. Расстояние а между фокусом О1 и F определяется как а = 4 b2 - к2 - 2bk cos(n- 2arctg(d /1)), где d - радиус вспомогательного зеркала;
l - высота вспомогательного зеркала; b - расстояние фазового центра облучателя до вершины вспомогательного зеркала; к - расстояние от вершины вспомогательного зеркала до фокуса основного.
Значения d, l, b и к могут задаваться исходя из конструктивных соображений.
Для нахождения t в формуле (7) примем граничные условия - край вспомогательного зеркала и из теоремы косинусов найдем длину хода до крайней точки
pm = -у/b2 + h2 + 2bh cos(n - arctg(d/1)), где h = 4d2 +12 .
Определив значения параметров, входящих в формулу (8), можно приступить к расчету профиля поверхности стержня.
Таким образом, проведен анализ возможных вариантов облучателей для малогабаритной ЗА и обоснованы преимущества выбора варианта гибридномодового облучателя с диэлектрическим конусом, помещаемого в пространство между облучателем и вспомогательным зеркалом; предложена методика расчета профиля излучающего стержня и решена задача синтеза преломляющей и отражающей поверхностей облучающего диэлектрического стержня; синтезирована преломляющая поверхность диэлектрического стержня, обладающая способностью преобразования точечного фазового центра облучателя О во второй точечный фокус, совпадающий с фокусом параболоида основного зеркала F.
ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка ФРГ, кл. НО 10 19/18 № 2938187 опубл. 2.04.81 г.
2. Заявка Великобритании, кл. НО 10 13/20 , 19/18 № 2161324 опубл. 1.08.86 г.
3. Olver A.D., Clarricoats P.J.B., Voglis E.E. Study of dual - offset reflector antenna nith dielectric cone feed // LEE Proc. - 1984. - V. 131, Pt. H. - № 2, p. 69 - 76.
4. Воробьев Ю.П., Дедукович М.А., Муравьев В.В., Наумович М.Н. Применение диэлектрических гибридномодовых облучателей двухзеркальных антенн миллиметрового диапазона длин волн // I Украинский симпозиум «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн»: тезисы докладов. - Харьков, ИРЭ АН УССР, 1991. - С. 343-344.
DIELECTRIC HYBRID-MODE MILLIMETER-WAVE REFLECTOR FEEDS
Akinshin R.N., Noyok M.S., Amninov E.V.
Analyzing of possible variants of small-size reflector feeds was carried out and advantages of choosing the hybridmode feed variant with a dielectric cone between the feed and the secondary reflector were justified. Design procedure for the radiating rod profile was suggested and the problem of its refracting and reflecting surfaces synthesis was solved.
Key words: reflector feed, hybrid-mode feed.
Сведения об авторах
Акиншин Руслан Николаевич, 1980 г.р., окончил ТАИИ (2002), доктор технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник СПП РАН, автор более 120 научных работ, область научных интересов -радиотехнические системы, методы обработки информации.
Нойок Михаил Сергеевич, 1952 г.р., окончил Тульский политехнический институт (1975), начальник отдела Тульского филиала ОАО НПК КБМ, автор 25 научных работ, область научных интересов -радиотехнические системы, антенно-фидерные системы.
Амнинов Эрдни Васильевич, 1981 г.р., окончил МИРЭА (2008), ассистент кафедры МИРЭА, автор
11 научных работ, область научных интересов - обработка информации, информационно-измерительные системы.
