Введение 4
1. Источники мощных СШП импульсов 6
1.1. Источник мощных импульсов с рефлектором в виде параболического цилиндра 8
1.2. Источники импульсов с открытыми разрядниками 9
1.3. Источники излучения с рупорно-параболической антенной 11
1.4. Комбинированная антенна как облучатель рефлектора 13
2. Расчет зеркальных антенн 16
2.1. Токовый метод 17
2.2. Апертурный метод 17
2.3. Численные методы 22
2.3.1. Метод конечных разностей во временной области 22
2.3.2. Метод конечного интегрирования 25
3. Численное моделирование рефлекторной антенны 31
3.1. Исследование согласования облучателя с фидером 32
3.2. Исследование направленных свойств облучателя 33
3.3. Моделирование временной формы импульсов излучения 35
Заключение 38
Список использованной литературы 39
В последние годы резко возрос интерес к разработке мощных источников сверхширокополосного (СШП) излучения на основе рефлекторных антенн. Это связано с созданием испытательных мобильных комплексов для исследований устойчивости электронных систем различных объектов к воздействию импульсами электромагнитного поля. Для тестирования электронных устройств на устойчивость к мощным импульсным электромагнитным помехам необходимы компактные источники СШП излучения, создающие на небольшом расстоянии от антенной системы высокую напряженность импульсного электромагнитного поля. Известны установки, предназначенные для дистанционного нарушения работы электронных систем управления двигателя автомобиля [1-3], а также для провоцирования сбоев в системах управления и навигации беспилотных летательных аппаратов. Не менее важна задача защиты средств управления и связи от такого рода воздействий.
Протоколы связи и управления обычно используют частоты от 0.4 ГГц до 2.5 ГГц что соответствует спектру биполярных импульсов напряжения длительностью 1 нс, возбуждающих антенну. Центральная частота с спектре таких импульсов, вблизи которой сосредоточена максимальная энергия, близка к 1 ГГц. Оценка пиковой напряженности поля, достаточной для остановки автомобиля, дана в [4] и составляет 50 кВ/м вблизи объекта. Для практического применения представляют интерес дистанции до объекта, большие 10 м . Для этого такая характеристика источника, как произведение пиковой напряженности поля на расстояние до источника, должна иметь значение не менее 500 кВ.
Представляет интерес разработка источников импульсов наносекундной длительности на основе параболического рефлектора. Известны источники СШП импульсов, в которых в фокус параболического рефлектора помещается дипольная антенна в диэлектрическом контейнере, оснащенная разрядником в зазоре между плечами [5]. Такой подход устраняет фактор опасности, связанный с открытыми токоведущими частями, однако энергетическая эффективность такой антенны остается низкой, поскольку только часть энергии облучателя дипольного типа используется для облучения рефлектора.
Наиболее перспективным подходом при создании источника СШП излучения с рефлектором является использование в качестве облучателя компактной комбинированной антенны, представляющей собой сочетание излучателей электрического и магнитного типа [6], и имеющей диаграмму направленности (ДН), близкую к кардиоиде. Для возбуждения антенны предпочтительно использовать биполярные импульсы напряжения. Такие импульсы имеют близкое к нулю среднее значение, а значит в их спектре мало энергии низкочастотной области, что существенно увеличивает энергетическую эффективность излучателя. Генераторы мощных импульсов напряжения с пиковой амплитудой в десятки киловольт могут быть выполнены на полупроводниковых приборах [7], а с пиковой амплитудой в сотни киловольт - на газовых разрядниках [8].
Возможность механического перемещения облучателя в фокальной плоскости параболического рефлектора позволит осуществлять сканирование волновым пучком, а вынос облучателя из фокуса - сконцентрировать энергию электромагнитного импульса в области пространства вблизи антенны, где может быть расположен тестируемый на электромагнитную совместимость объект.
Анализ системы рефлектор-облучатель в случае использования СШП антенны- облучателя существенно затруднен тем, что аналитический расчет напряженности поля излучения такой системы крайне сложен. Для определения распределения поля в заданной области вблизи источника излучения используются численные методы, однако при больших размерах рефлектора прямое численное моделирование такой антенной системы требует применения больших компьютерных вычислительных мощностей.
Данная работа посвящена численному моделированию антенной системы мощного источника импульсов, который способен создавать высокую напряженность поля на небольшом расстоянии (5-10 метров). Моделирование выполнено в лицензионном программном продукте CST Studio Suite.
Исследованы характеристики излучения мощного источника сверхширокополосного излучения с рефлекторной антенной. Рассчитана геометрия офсетного рефлектора и положение антенны-облучателя. Определено положение антенны-облучателя относительно фокуса рефлектора для получения максимальной напряженности поля на расстоянии 5 м от антенны.
Рассчитанное значение пиковой напряженности поля на расстоянии 5 м от антенны составляет 90 кВ/м при напряжении на выходе генератора биполярных импульсов 100 кВ. Произведение пиковой напряженности поля разработанного источника на расстояние равно 450 кВ.
Результаты моделирования рефлекторной антенны со сверхширокополосным облучателем могут быть использованы при проектировании источников мощного импульсного излучения в задачах тестирования электронного оборудования на электромагнитную совместимость.
