WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Приближенно, диаграмма направленности может быть представлена как сумма косинусоидальной диаграммы направленности конического рупора и воронкообразной диаграммы направленности отрезка магнитодиэлектрического волновода. Диаграмма направленности волновода, при определенной фазировке с диаграммой рупора, позволяет сформировать диаграмму направленности с главным лепестком столообразной формы. Благодаря частотной дисперсии материальных параметров магнитодиэлектрика можно обеспечить слабое изменение с частотой формы главного лепестка диаграммы направленности в некотором диапазоне углов и сформировать диаграммы направленности специальной формы и за счет сильных потерь магнитодиэлектрика - низкий уровень боковых лепестков. На Рис. 9 представлены результаты расчетов амплитудных диаграмм направленности (пунктир) и результаты экспериментального исследования диаграмм направленности антенны (сплошная кривая), проведенного в безэховой камере. Также приведены фазовые диаграммы.

а в б Рис. 9. Амплитудные и фазовые диаграммы направленности антенны на основе открытого конца магнитодиэлектрического волновода на частоте 8 ГГц (а), 10 ГГц (б), 12 ГГц (в).

Показано, что главный лепесток диаграммы направленности имеет столообразную форму, с неравномерностью амплитуды, не превышающей 1 дБ и фазы 30, которая сохраняется в диапазоне частот от 8 до 12 ГГц. Боковые лепестки диаграммы направленности не превышают -20 дБ. Предложено использование такой антенны в качестве облучателя коллиматора.

В четвертой главе теоретически, методом собственных функций [24], изучены поля планарного волновода из метаматериала с отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей (Рис. 10 а).

Показано, что в таком волноводе в зависимости от частоты существуют прямые, обратные и стоячие волны. Обратная волна- волна у которой групповая и фазовая скорость разнонаправлены. Также выявлено, что такой волновод обладает критической длиной волны. В случае отрицательных значений материальных параметров потоки мощности в волноводе и в окружающем пространстве направлены в стороны, противоположные относительно оси волновода. Соответственно, антенна на основе планарного волновода из метаматериала будет излучать или в прямом направлении (в случае прямой волны) (Рис. 10 г), в обратном (в случае обратной волны) (Рис. 10 в) или в обоих направлениях одновременно (в случае стоячей волны) (Рис. 10 б).

Условие излучения в обратном направлении получено аналитически.

б а г в Рис. 10. Планарный волновод из метаматериала (а); Диаграммы направленности в азимутальной плоскости при излучении антенны на основе такого волновода в случае стоячей волны (б), обратной волны (в), прямой волны (г).

Также экспериментально продемонстрирован эффект обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе волновода в виде трубки из метаматериала (Рис. 11). Метаматериал- ОБРАЗЕЦ 3 (см. главу 2) обладал отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей вблизи частоты 3 ГГц.

б а Рис. 11. Схема антенны на основе волновода в виде прямоугольной трубки из метаматериала (а), Фото исследуемой антенны (б).

Численные расчеты Методом моментов (пунктир) [25] и измерений в безэховой камере (сплошная кривая) в области отрицательных значений диэлектрической и магнитной проницаемостей (3 ГГц, рис. 7) демонстрируют возможность излучения такой антенны как в прямом (Рис. 12 а), в обратном (Рис. 12 б) так и в обоих направлениях одновременно (Рис. 12 в), в зависимости от толщины трубки.

0 0 330 30 330 330 -5 ---10 --300 60 300 300 60 -15 ---20 ---25 ---30 --30 270 90 -30 270 --30 270 -25 ---20 ---15 --240 120 240 240 -10 ---5 --210 150 210 210 0 180 а б в Рис. 12. Диаграммы направленности в плоскости E, антенны в виде трубки из метаматериала толщиной d=5 мм (а), 20 мм (б), 10 мм (в) на частоте 3 ГГц.

Показано, что данный эффект наблюдается, при условии существования поля обратной волны и при наличии отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала. В то время как в случае положительных материальных параметров метаматериала такого эффекта не наблюдается.

В пятой главе рассматривается стержневой диэлектрический облучатель, который состоит из диэлектрического стержня- 3, диэлектрической биконической втулки- 2, ребристого фланца- 4, круглого волновода-1, который дБ дБ дБ запитывается волной Н11 (Рис. 13).

Целью этой главы является теоретическое и экспериментальное исследование диаграмм направленности стержневого диэлектрического облучателя и усовершенствование его конструкции в части расширения рабочей полосы частот.

Диаграмма направленности такого облучателя в первом приближении может быть представлена как сумма диаграммы направленности стержня, которая осесимметрична, и имеет максимум в направлении оси стержня и диаграммы направленности втулки, которая имеет воронкообразную форму с минимумом в направлении указанной оси. Относительная диэлектрическая проницаемость материала стержня 1=2.55 (полистирол) и относительная диэлектрическая проницаемость биконической втулки 2 =4.5 (текстолит). При отработанных размерах стержня и биконической втулки, а так же тщательной фазировке всех элементов облучателя можно получить оптимальную по форме диаграмму направленности со столообразной вершиной неравномерностью амплитуды не более 1 дБ и фазы не более 30 в узкой полосе частот ±2.2%.

а б Рис. 13. Схема стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой (а) и фото исследуемой антенны (б).

Для исследования направленных свойств стержневого диэлектрического облучателя построена математическая модель его характеристик излучения.

Численный анализ диаграмм направленности облучателя проводился методом интегральных уравнений (ИУ) для тел вращения на основе аппарата тензорных функций Грина, разработанного Е.Н. Васильевым [23].

Как показал анализ структуры облучателя, можно расширить рабочий диапазон частот путем применения в его конструкции цилиндрической фторопластовой вставки с относительной диэлектрической проницаемостью =2, обозначенной на рис. 13 цифрой 5.

На рис. 14 представлены результаты расчетов (пунктир) и экспериментов в безэховой камере диаграмм направленности облучателя в дальней зоне, в диапазоне частот.

а б в Рис. 14. Амплитудные и фазовые диаграммы направленности стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой. Частота 8.6 ГГц (а), 9 ГГц (б), 10 ГГц(в).

Главный лепесток диаграммы направленности сохраняет столообразную форму с неравномерностью амплитуды, не превышающую 1 дБ и фазы 30 в диапазоне частот от 8.6 ГГц до 10 ГГц.

Таким образом, использование фторопластовой вставки в качестве элемента стержневого диэлектрического облучателя, приводит к увеличению относительной рабочей полосы частот до ±7.5% относительно средней частоты.

В шестой главе исследованы поля в рабочей зоне коллиматора МАК- 5 в зависимости от полей стандартных облучателей коллиматора МАК-(конический рупорный облучатель, облучатель с обратным фланцем), а также облучателей описанных в главах 3 и 5 (магнитодиэлектрическая антенна и стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой). Зеркало коллиматора представляет собой несимметричную вырезку параболоида вращения, состоящего из 67 щитов, с фокусным расстоянием 3.5 м, поперечные размеры которого 4.5 м на 5 м.

Показано, что распределение поля в рабочей зоне коллиматора определяется двумя составляющими (Рис. 15). Первая составляющая тем равномернее, чем ближе форма главного лепестка диаграммы направленности облучателя к столообразной. Вторая составляющая связана с уровнем поля облучателя на кромках зеркала коллиматора. Эта дифракционная составляющая вносит осциллирующий характер в распределении поля. Чем меньше уровень поля на кромках зеркала коллиматора, тем более гладкое распределение поля формируется в рабочей зоне. Приведены амплитудные и фазовые распределения полей в горизонтальных и вертикальных срезах рабочей зоны. В частности для частоты 8.5 ГГц распределения поля в горизонтальном срезе представлены на Рис.15.

Рис. 15. Распределения амплитуды и фазы поля E в горизонтальном срезе рабочей зоны на частоте 8.5 ГГц.

Конический рупорный облучатель Облучатель с обратным фланцем Стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой Магнитодиэлектрическая антенна Как видно из графиков (Рис. 15) неравномерность амлитуды поля менее дБ и фазы менее 30 сохраняется в узкой области рабочей зоны, которая сужается с ростом частоты. К тому же распределение полей носят осциллирующий характер, связанный в основном с дифракцией на кромках зеркала коллиматора. И чем меньше возбуждаются кромки зеркала коллиматора полем облучателя, тем меньше осцилляции наблюдаются в рабочей зоне коллиматора. Самые быстрые осцилляции возникают при возбуждении зеркала облучателем с обратным ребристым фланцем. Уровень поля на кромках зеркала коллиматора в этом случае достигает -4 дБ. При возбуждении коническим облучателем уровень поля на кромках зеркала ниже 6 дБ. Облучатель на основе магнитодиэлектрической антенны вносит в поле рабочей зоны наименьшие осцилляции благодаря низкому уровню поля на кромках зеркала (ниже -20 дБ).

При облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности близкой к столообразной форме наблюдается слабо меняющаяся составляющая поля, в пределах рабочей зоны. Такими диаграммами обладают диэлектрический стержневой облучатель и магнитодиэлектрическая антенна.

Нар Рис. 16 представлены зависимости ширины рабочей зоны D от частоты для облучателей представленных выше, в плоскостях X, Y. Анализ графиков показывает, что наибольшая рабочая зона наблюдается при облучении зеркала коллиматора магнитодиэлектрической антенной, при этом ширина рабочей зоны меняется от 3 м до 2.2 м, с ростом частоты. В то время как стандартный конический облучатель имеет наименьшую рабочую зону в диапазоне частот от 8 до 10 ГГц. Облучатель с обратным фланцем имеет немного большие размеры рабочей зоны и его применение более предпочтительно благодаря низкому уровню заднего излучения. Размеры рабочей зоны, формируемой при использование стержневого диэлектрического облучателя, по своим характеристикам находится посередине между облучателем с обратным фланцем и облучателем на основе магнитодиэлектрической антенны. Т.о. наибольшая равномерность поля в рабочей зоне достигается при облучении зеркала коллиматора диаграммой направленности столообразной формы с неравномерностью вершины главного лепестка не более 1 дБ и фазы менее 30 в секторе углов ±200 и амплитудой поля на кромках зеркала ниже -10 дБ, в полосе частот от 8 до 10 ГГц.

Рис. 16. Ширина рабочей зоны в горизонтальном и вертикальном срезах в зависимости от частоты.

Конический рупорный облучатель Облучатель с обратным фланцем Стержневой диэлектрический облучатель с фторопластовой вставкой Магнитодиэлектрическая антенна Это в свою очередь открывает новые перспективы для экспериментального исследования характеристик рассеяния более электрически размерных объектов и антенн коллиматорным методом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Экспериментально исследованы образцы исскуственных магнитодиэлектриков (композитов) с различными конфигурациями расположения спиралей и сделаны выводы о возможном применении таких композитов в качестве элементов антенн, в частности облучателей коллиматоров. Показано, что образцы материалов со спиральными включениями могут обладать отрицательными свойствами диэлектрической и магнитной проницаемостей на частотах выше резонансной.

2. Показано, что использование магнитодиэлектрика в качестве элемента волноводной антенны позволяет получить диаграммы направленности столообразной формы с низким уровнем боковых лепестков в широком диапазоне частот. На основе таких антенн возможно формировать поля в дальней зоне с постоянными амплитудами и фазами в некоторой области пространства, что является перспективным для построения облучателей коллиматоров, главной задачей которых является формирование полей с постоянной амплитудой и фазой в пределах зеркала коллиматора.

3. Изучены поля планарного волновода из метаматериала. Показано, что в таком волноводе в зависимости от частоты существуют прямые, обратные и стоячие волны. В случае отрицательных значений материальных параметров потоки мощности в волноводе и в окружающем пространстве направлены в стороны, противоположные относительно оси z. Соответственно, можно ожидать, что антенна на основе планарного волновода из метаматериала будет излучать в прямом направлении (в случае положительного полного потока мощности), в обратном (в случае отрицательного полного потока мощности) или в обоих направлениях одновременно (в случае нулевого полного потока мощности). Также отмечено, что такой волновод имеет критическую длину волны.

4. Экспериментально продемонстрирован эффект обратного излучения электромагнитных волн антенной на основе волновода в виде трубки из метаматериала. Показано, что данный эффект наблюдается, при условии существования поля обратной волны и при наличии отрицательных значений относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей метаматериала.

В то время как в случае положительных материальных параметров метаматериала такого эффекта не наблюдается.

5. Исследованы поля, формируемые диэлектрическим стержневым облучателем в дальней зоне. Диаграмма направленности такой антенны имеет столообразную форму, но в узком диапазоне частот. Показано, что использование фторопластовой вставки в качестве элемента стержневого диэлектрического облучателя приводит к увеличению рабочей полосы частот c ±2.2% до ±7.5% относительно средней частоты и тем самым расширяет рабочий диапазон частот зеркального коллиматора в среднем на 30% (в зависимости от частоты), при облучении зеркала коллиматора таким облучателем.

6. Исследованы поля в рабочей зоне коллиматора в зависимости от применяемых облучателей. Приведены сравнительные характеристики облучателей и полей. Даны рекомендации по выбору облучателей коллиматора.

Показано, что применение облучателя на основе магнитодиэлектрической антенны и стержневого диэлектрического облучателя с фторопластовой вставкой позволяет увеличить рабочую зону в среднем на 30 % (в зависимости от частоты), по сравнению со стандартными видами облучателей, применяемых ранее в более широком диапазоне частот.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1. Балабуха Н.П., Башарин А.А. Облучатели коллиматора МАК-5// Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2007, Таганрог-2007, C. 86-90.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.