14.2. Синтез сверхширокополосных антенн

При создании источников СШП-излучения возникают проблемы, связанные с созданием высокоэффективных антенн, обеспечивающих минимальные искажения формы возбуждающих их импульсов тока. В излученном поле эти искажения проявляются двояко. С одной стороны, напряженность поля электромагнитного импульса пропорциональна производной по времени от функции, определяющей временное изменение импульса тока, с другой стороны - любой излучатель имеет конечную полосу пропускания, что приводит к дополнительным искажениям формы излученного импульса. Таким образом, полоса пропускания антенны, т.е. тот интервал частот, в котором сохраняются в заданных пределах форма ДН, поляризационная и фазовая характеристики, степень согласования антенны с фидером, должна быть максимально большой, по крайней мере, не уже того интервала частот, в котором содержится основная доля энергии излучаемого импульса.

Для излучения мощных СШП-импульсов сканирующими антенными решетками (САР) ее элементы должны удовлетворять целому ряду требований, среди которых необходимо отметить следующие:

размеры антенны не должны превышать пространственной длительности возбуждающего импульса тока;

ДН антенны должна быть однонаправленной и близкой к кардиоидной для обеспечения сканирования волновым пучком в широком диапазоне углов без существенного изменения амплитуды напряженности поля;

в полосе частот шириной не менее двух октав антенна должна сохранять стабильные характеристики направленности, поляризационную характеристику, стабильный фазовый центр и постоянное входное сопротивление;

иметь высокую электрическую прочность.

В качестве излучателей мощных СШП-импульсов широкое распространение получили ТЕМ-антенны [6,7]. Обладая широкой полосой пропускания, они, однако, имеют зависимость положения фазового центра от частоты и либо большие размеры, либо невысокую эффективность, если в них используются резистивные нагрузки для уменьшения отражений от апертуры. Вместе с тем характеристики излучения короткого симметричного диполя слабо зависят от частоты, однако, полоса согласования такого излучателя с фидером незначительна. Кроме того, диаграмма излучения диполя не однонаправленна.

Решение поставленной задачи создания малогабаритных СШП антенн, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к элементу было найдено на пути синтеза электрических и магнитных диполей [8-11], а затем и дополнительного включения в излучатель ТЕМ-рупора для расширения полосы пропускания в сторону высоких частот [12-14]. Созданные антенны были названы комбинированными.

Рассмотрим предложенный принцип построения малогабаритных СШП-комбинированных антенн. Выполненные теоретические исследования [9, 10], согласующиеся с известными физическими представлениями [15, 16] о процессе излучения произвольной антенны, позволяют выделить в полной энергии поля антенны следующие три компоненты.

- энергию бегущей пространственной волны, формирующейся в ближней зоне антенны, средняя за период плотность которой определяется средним за период значением вектора Пойнтинга и которая на больших расстояниях от антенны является преобладающей, здесь напряженности электрического и магнитного поля соответственно;

- реактивную энергию, равную разности между магнитной и электрической энергиями, запасенными в объеме ближней зоны антенны, определяющую мнимую часть потока вектора Пойнтинга через сечение соответствующее входу антенны , где усредненные за период колебаний плотности магнитной и электрической энергий, соответственно, - круговая частота. Эта энергия определяет реактивную составляющую входного сопротивления антенны;

- связанную энергию, участвующую во взаимном обмене между электрической и магнитной энергиями в ближней зоне.

Используя энергетические соотношения, запишем условия согласования антенны с фидером в виде

где комплексная амплитуда тока на входе антенны (сечение волновое сопротивление фидера, малые, положительные величины, определяемые допустимым значением коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) в фидере.

Для выполнения условия (14.1) необходимо, используя известные приемы, добиться обеспечения в требуемой полосе частот приближенного равенства

где вещественная часть входного сопротивления антенны. Наряду с этим, согласно (14.2), нужно уменьшить запас реактивной энергии в ближней зоне антенны.

Предложенный способ эффективного расширения полосы согласования антенны заключается в совмещении ближних зон (объемов двух излучателей, имеющих общий вход, но разноименные реактивные энергии (если в ближней зоне одного излучателя преобладает электрическая энергия, то у другого должна преобладать магнитная энергия). В этом случае

и, если запасы реактивной энергии обоих излучателей одинаковым образом зависят от частоты и изменяются синфазно, то при

условие (14.2) будет выполняться для любой частоты. Таким образом, способ заключается в преобразовании реактивной энергии в связанную.

Преимущество данного способа состоит в том, что выбирая конструкции излучателей, их взаимное расположение и ориентацию (поляризацию поля) таким образом, чтобы обеспечить пространственную локализацию электрической и магнитной энергий в непосредственной близости от антенны, можно увеличить плотность связанной энергии, за счет которой формируется поток излучаемой энергии, а следовательно, и интенсивность излучения антенны и ослабить зависимость от частоты.

На примере модельной задачи показана [8-10] возможность расширения полосы согласования антенны на основе комбинации электрического и магнитных диполей, расположенных вблизи друг друга и возбуждаемых от одного источника. Геометрия задачи приведена на рис. 14.1. В декартовой системе координат размещены электрический диполь длиной и два магнитных диполя той же длины, оси которых ориентированы параллельно оси а центры лежат в плоскости и отстоят от осей на расстояниях соответственно. Распределение электрического и магнитных токов в диполях полагалось синусоидальным с комплексными амплитудами причем

где волновое сопротивление окружающей среды, постоянные, длина волны, и - начальные сдвиги фаз токов в магнитных диполях по отношению к току в электрическом диполе,

имеет смысл коэффициента замедления.

Излучаемая системой диполей мощность находилась методом вектора Пойнтинга. При этом мощность излучения отнесенная к определялась выражением

где нормированная мощность излучения уединенного электрического диполя, добавка к этой мощности за счет совокупного действия магнитных диполей, добавка за счет "комбинационного" эффекта при сложении излучаемых мощностей.

На рис. 14.2 представлены зависимости от отношения при . При подключении диполей к общему фидеру с чисто активным волновым сопротивлением порядка 140 Ом достигается согласование по уровню в полосе с отношением крайних частот и уменьшение зависимости от частоты по сравнению с .

Рис. 14.1. Геометрия задачи

Рис. 14.2. Зависимость излучаемой мощности от частоты

Рис. 14.3. Геометрия комбинированной антенны (а) и плоского электрического монополя (б)

Рис. 14.4. КСВН плоского монополя (1) комбинированной антенны (2)

Чтобы подтвердить влияние комбинации магнитных и электрического диполей на расширение полосы согласования, проводились специальные эксперименты [17]. Были сравнены КСВН комбинированной антенны, состоящей из электрического монополя и магнитного диполя (рис 14.3,а), и плоского электрического монополя (рис. 14.3,б) этой антенны, размещенного над разогнутым корпусом комбинированной антенны, который использовался как земляная пластина. Результаты измерений приведены на рис. 14 4 Видно, что полоса согласования комбинированной антенны существенно шире, чем для электрического монополя и отношение крайних часто по уровню .