УДК 537.87, 621.371
Расфазірованний рупорний опромінювач зі зламом утворює і зі скосом апертури для коллиматора МАК-5М
Н. П. Балабуха 1. Н. Л. Менших 1,2. В. С. Солосін 1
1 Інститут Теоретичною і Прикладної Електродинаміки РАН
2Московскій Фізико-Технічний Інститут
Анотація. В роботі досліджено расфазірованний рупорний опромінювач зі скосом апертури і зламом утворює, який використовується для коллиматора МАК-5М. Чисельні розрахунки показали, що використання даного опромінювача дозволяє розширити робочу зону коллиматора приблизно на 25% в смузі частот від 10 до 12 ГГц.
Ключові слова: опромінювач коллиматора, компактний полігон, моделювання за допомогою FEKO.
Abstract. Misphased horn feed for compact range MAK-5M is investigated. The slant of the horn aperture in the vertical plane obtains the nonaxisymmetrical radiation pattern. The form of the diagram help to achieve uniform field distribution on the surface of the reflector. The radiation pattern has a region with approximately constant value of the amplitude of the field in the horizontal plane due to the fracture of lateral side of the horn. Angle of the slant and flare angle of the big horn are optimized for making the best form of radiation pattern.
Electrodynamic calculation was carried out by the method of the integral equations (method of moments) using FEKO. Using cluster of ITAE RAS allowed carrying out simulation of the field distribution in the quite zone of the compact range in all frequency range. The system of horn feed and reflector is considered in free space, the reflection from the chamber walls are not taken into account.
Compact range MAK-5M with misphased horn feed will be in the quit zone diameter of 2.5 m non-uniformity field not exceeding ± 1 dB, and the phase of the non-uniformity of less than 10 °. It is mean the compact range with misphased horn feed allows you to expand the quite zone of the about 25% in the frequency band from 9.8 to 12 GHz.
Keywords. feed reflector, compact range, computer modeling by FEKO.
Компактний полігон - складна з інженерної точки зору і дорога вимірювальна установка. Тому дуже важливо максимально використовувати його можливості, а саме досягти прийнятних характеристик поля в найбільшому частотному діапазоні і на максимальній площі робочої зони.
Для вимірювань на компактному полігоні важливо вирішити дві основні проблеми: отримати плоску хвилю з рівномірною амплітудою і фазою в робочій зоні і виділити корисний сигнал. Нерівномірність поля визначається діаграмою опромінювача, дифракцией хвилі на крайках рефлектора коллиматора і відображенням від елементів конструкції самої камери. Щоб зменшити дифрагованим поле, краю дзеркала мають зубчасту форму, поглинаючий матеріал допомагає помітно знизити фоновий сигнал від самої камери. Перетворення сигналу в тимчасову область дозволяє відняти перешкоджаючі сигнали, які мають відмінний оптичний шлях від шляху корисного сигналу [1].
Для підвищення ефективності роботи компактного полігону доцільно використовувати облучатели зі спеціальною формою діаграми спрямованості, оптимізованої для даного коллиматора. У даній роботі представлений опромінювач, що дозволяє розширити робочу зону в деякій смузі частот.
Сформулюємо основні вимоги, що пред'являються до опромінювач коллиматора.
Нерівномірність поля в робочій зоні по амплітуді і фазі не повинна перевищувати деяких наперед заданих значень. Ці значення вибираються виходячи з того, які вимірювання і з якою точністю планується проводити на даному компактному полігоні.
Звернемося до рис. 1. Оскільки дзеркало коліматора є несиметричну вирізку з параболоїда обертання, а опромінювач розташовується в його фокусі, то через різницю відстаней R 1 і R 2 для отримання поля з постійною амплітудою між точками 1 і 2 на дзеркалі коллиматора, необхідно збільшити сигнал в напрямку на верхній край робочої зони. Діаграма спрямованості ідеального опромінювача повинна мати несиметричність у вертикальному напрямку: амплітуда повинна зростати в напрямку верхнього краю дзеркала і бути симетричною в горизонтальному перетині. Поза робочої зони поле повинно швидко спадати до країв дзеркала коллиматора, щоб зменшити дифракцию на його крайках.
(А) вертикальний зріз (б) горизонтальний зріз
Мал. 1. Геометрія компактного полігону, вид з боку (а) і вид зверху (б).
Так само важливо, щоб опромінювач зберігав діаграму спрямованості в деякій смузі частот і при цьому положення його фазового центру залишалося постійним.
Часто використовуються в якості облучателей коллиматора рупорні антени [2]. Однак їх характеристики мають ряд недоліків. Щоб укластися в задані значення нерівномірності поля, доводиться збільшувати інтенсивність опромінення країв дзеркала, що в свою чергу призводить до збільшення дифракції на крайках дзеркала. Крім того, рівень бічного випромінювання також може бути досить значним.
Частина проблем вдається усунути, використовуючи різні модифікації рупорів. Так, наприклад, для отримання більш рівномірного поля в розкриві рупора часто використовують фланець різної модифікації [1]. Також, для забезпечення більш крутого спаду поля до країв дзеркала, можна використовувати поглинають насадки на рупор [3]. У роботах [4. 5] показано, що якщо забезпечити плавний перехід від країв рупора до вільного простору (відігнути кромки рупора), то можна помітно знизити вплив дифракції на краях і поліпшити якість поля в робочій зоні. Найбільш поширеним облучателем коллиматора зі спеціальною формою діаграми спрямованості є рупор з канавками всередині [6]. Чвертьхвильові канавки дозволяють помітно знизити рівень бічного випромінювання рупора. Досліджувалася можливість використання таких рупорів в широкому діапазоні частот за рахунок створення профілю зі змінною глибиною канавок [7]. Діаграма спрямованості такого рупора має область з постійним значенням амплітуди, спад до країв дзеркала так само значно більше, ніж у звичайного рупора.
Діелектричні антени дозволяють сформувати найбільш оптимальну діаграму спрямованості опромінювача, але тільки в невеликій смузі частот. Наприклад, в роботі [8] розглядається стрижневий діелектричний опромінювач, у якого діаграма спрямованості має область з приблизно постійною амплітудою. Однак, така форма головної пелюстки формується в дуже вузькій смузі частот: 5% від діапазону. Цей опромінювач був в подальшому модернізований за рахунок фторопластовой вставки [9]. Це дозволило розширити діапазон частот до 2 ГГц.
Досліджувалися спрямовані властивості рупора зі зламом утворює [10]. Показано, що у такого рупора в діаграмі спрямованості є область з майже постійним значенням амплітуди поля в деякому діапазоні кутів, що зберігається в деякій смузі частот.
Все вишерассмотренние облучатели мають осьову симетрію. Як уже зазначалося, діаграма опромінювача повинна бути несиметричною в вертикальному напрямку. Тому рупора з неосесиметричних діаграмою спрямованості становлять великий інтерес як облучателей дзеркальних антен і коллиматоров. В роботі [11] розглядалося рупор зі скосом апертури і запропонована методика розробки таких рупорів.
Результати робіт [10-11] дозволили просунутися далі і досліджувати структуру, що має одночасно і скіс апертури, і злам утворює [12]. Дані дослідження показали, що, підібравши параметри антени, можна сформувати необхідну діаграму спрямованості. Як опромінювача коллиматора расфазірованний рупор зі зламом утворює майже не досліджений.
Для розрахунку діаграми спрямованості рупора необхідно задати його розміри, спосіб збудження і граничні умови на стінках рупора. Розглянемо ці пункти по порядку.
2.Геометрія коллиматора
Геометрія опромінювача визначається необхідною шириною діаграми спрямованості, яка в свою чергу визначається параметрами коллиматора. Досліджуваний рупор оптимізується для коллиматора МАК-5М [1]. Відстань від вершини дзеркала коллиматора до його фокуса 3.5 метра. Робоча зона являє собою горизонтально розташований циліндр довжиною 1.8 метрів, діаметром 1,5 метра. Зазначимо деякі характерні напрямки для коллиматора (рис. 1): - напрямок по горизонталі між крайками дзеркала в найвужчому місці коллиматора, - напрямок по горизонталі між краями робочої зони коллиматора; у вертикальній площині кути відраховуються від осі параболоїда обертання: - направлення на нижній край дзеркала по вертикалі, - направлення на верхній край дзеркала по вертикалі, - направлення на нижній край робочої зони по вертикалі, - направлення на верхній край робочої зони по вертикалі.
Щоб сформувати діаграму спрямованості, що має область з приблизно постійною амплітудою, кут розкриття великого рупора повинен помітно перевершувати кут, під яким видно робоча зона. Однак, як вже зазначалося вище, для зменшення амплітуди діфрагірованних на крайках дзеркала хвиль необхідно забезпечити помітний спад амплітуди поля поза робочої зони. Оптимальний кут вибирається так, щоб виконувалися обидва умови.
3.Геометрія рупора
Схема рупора представлена на рис. 2. Рупор складається з трьох частин: відрізка круглого хвилеводу, малого конічного синфазного рупора і великого сильно расфазірованного рупора. Основні розміри: мм - діаметр розкриву малого рупора, - кут розкриття малого рупора, мм - діаметр розкриву великого рупора, - кут розкриття великого рупора. Діаметр круглого хвилеводу 23 мм.
Мал. 2. Схема расфазірованного рупора зі зламом утворює і зі скосом апертури.
Для знаходження оптимального радіуса розкриву великого рупора використовувалася наближена формула, зазначена в [12].
де - довжина хвилі, причому парні номери забезпечують лійкоподібну форму діаграми, напівцілий - плоску, а непарні - куполоподібну. Радіус розкриву рупора розраховувався за формулою для плоскої діаграми і центральної частоти робочого діапазону частот - 10 ГГц.
Для досягнення рівномірної засвічення дзеркала амплітуда в напрямку на верхній край робочої зони повинна бути в 1.18 рази більше ніж в напрямку на нижній край. Конічна частина великого рупора зрізана площиною під кутом 9º до горизонталі. Як показали подальші розрахунки, це дозволяє отримати необхідне відношення амплітуд на верхньому і нижньому краю робочої зони в широкій смузі частот.
Розрахунок расфазірованного рупора проводився методом моментів за допомогою програми FEKO. який відноситься до точних методів, що дозволяє врахувати дифракцию хвилі в зламі рупора і на його кромці.
У математичної моделі рупора розглядалося збудження тільки основний хвилеводної моди хвилі H 11 круглого хвилеводу. На стінках рупора і на поверхні коліматора задавалися граничні умови для ідеального провідника, тобто тангенціальні компоненти поля дорівнюють нулю. Рупорний опромінювач встановлювався в фокусі коллиматора під кутом в 38 ° над горизонтом (напрямок на центр робочої зони коллиматора) зрізаної частиною вгору. Досліджувалося поле в робочій зоні коллиматора, центр робочої зони знаходиться в 7 метрах від вершини параболоїда.
Система рупорний опромінювач - коліматор розглядалася у вільному просторі. При цьому пряме попадання променів з рупора в робочу зону було виключено.
5.Результати чисельних розрахунків
Порівняємо характеристики спрямованості расфазірованного рупора зі стандартним конічним рупорним облучателем коллиматора MAK -5м.
Робочий діапазон частот стандартного опромінювача 8.2 - 12 ГГц. Порівняння проводилося на окремих частотах з кроком 0.2 ГГц, нижче наведені результати для початкової, центральної і кінцевої частот робочого діапазону. На всіх малюнках чорна крива - стандартний рупор, червона крива - расфазірованний рупор. Наведено результати для вертикальної поляризації, де розподіл поля найгірше.
Мал. 17: вертикальні зрізи фази поля в площинах перпендикулярних осі дзеркала і проходять через початок, середину і кінець робочої зони. Частота 12 ГГц; а) - для стандартного опромінювача, б) - для расфазірованного рупора з скосом.
Фаза поля при використанні расфазірованного рупора трохи погіршується. Але сильне спотворення спостерігається тільки знову ж на низьких частотах, 8.2 ГГц, на частотах вище 9.8 ГГц нерівномірність фази становить близько 10 градусів, а це прийнятна нерівномірність поля.
Досліджено расфазірованний рупорний опромінювач зі зламом утворює і зі скосом апертури. Використання такого рупора в якості опромінювача коллиматора дозволяє зменшити нерівномірність поля в робочій зоні. Досягнуто нерівномірність поля ± 1 дБ в робочій зоні діаметром 2.5 метра для діапазону частот 9.8 - 12 ГГц і нерівномірність фази ± 5 градусів. Це збільшує діаметр робочої зони на 25%. Однак в нижній частині робочого діапазону частот відбувається погіршення розподілу поля в порівнянні зі стандартним конічним рупорним облучателем, нерівномірність склала 2.3 дБ в зоні діаметром 2.5 метра, що для ряду досліджень ще вважається прийнятною нерівномірністю.
2. Айзенберг Г.З. Ямпільський В.Г. Терешин О.Н. Антени УКВ. М. "Зв'язок", 1977. Ч. 1, 383 с.
3. Єрухимович Ю.А. Тимофєєва О.О. Комбіновані рупорні опромінювачі для дзеркальних антен. // Праці НИИР, 1979. № 1.
12. Тимофєєва О.О. Визначення геометричних розмірів рупорних опромінювачів з діаграмами спрямованості близькими до оптимальних. // Електрозв'язок. 1977. №5.
2. Aizenberg G.Z. Yampol'skii V.G. Tereshin O.N. Antenny UKV. [Antennas VHF]. Moscow, Svyaz 'Publ. 1977. P. 1, 383 p. (In Russian)
3. Erukhimovich Y.A. Timofeeva A.A. Kombinirovannye rupornye obluchately dlya zerkal'nykh antenn. [Combine horn feed for reflectors]. Trudy NIIR. 1979. № 1. (In Russian)
11. Dronova V.A. Kozlovskay I.A. Timofeeva A.A. Khlopkova Z.K. Vyborformy raskryva neosesimmetrichnykh antenn v zavisimosti ot diagrammy napravlennosti obluchatelya. [Selection shape of an aperture nonaxisymmetric antennas depending on the radiation pattern of the feed]. Trudy NIIR. 1987. N3. (In Russian)
12. Timofeeva A.A. Opredelenie geometricheskikh razmerov rupornykh obluchatelei s diagrammami napravlennosti blizkimi k optimalnym. [Determination of the geometric dimensions of a feed horn antenna with radiation patterns close to optimal.]. Electrosvyaz '. 1977. N5. (In Russian)