В современных условиях радиотехнические устройства наиболее быстро развивающаяся область. Такие объекты - воздушные суда, наземные пункты управления, беспилотные аппараты и спутники задают требования для устройств передачи и приема сигналов. Практическая потребность вызвана необходимостью улучшения помехозащищённости, информативной способностью и потенциалом радиолокационных средств. Задаются новые требования к параметрам поляризации и к свойствам широкополосных антенн [1].
Важное место среди различных типов антенн занимают спиральные антенны благодаря простоте конструкции, возможности излучения поля с эллиптической поляризацией, а также широким диапазоном частот [2]. Широкая полоса позволяет использовать спиральные антенны для излучения коротких импульсов, так же, такие антенны имеют близкую к круговой поляризации излучение, что важно при воздействии на объекты и среды мощными сверхширокополосными импульсами (СШП).
Подавать на антенну можно любой сигнал, однако эффективно излучить антенна сможет только такой импульс, спектр которого наиболее близок к полосе пропускания антенны. Наиболее просто сформировать импуль напряжения с формой, близкой к прямоугольной. Однако максимум спектра такого импульса лежит в области низких частот, которые антенна не может излучить с приемлемой эффективностью. Поэтому используют биполярные импульсы, имеющие минимум энергии вблизи нулевой частоты. Центральная частот спектра импульса и центр полосы пропускания антенны могут быть подобраны либо изменением диаметра спирали, либо изменением парметров генератора.
Рисунок 1 - Временная форма и спектр монополярного (а) и биполярного (б)
импульса и узкополосного сигнала (в)
Обычно цилиндрические спиральные антенны используются для связи с космическими аппаратами, в дистанционном зондировании земли и связи подвижными абонентами, где диапазон частот не очень широк. Однако при возбуждении спиральной антенны короткими СШП импульсами напряжения необходимо исследовать возможность расширения полосы согласования антенны и направленные свойство в широком диапазоне частот [5]
В исследовании антенн основная задача заключается в изучении зависимости свойств антенны от её конфигурации аналитическим путем, с помощью трехмерного электродинамического моделирования в САПР и сравнение её характеристик с экспериментальными данными. В данной работе использован лицензионный САПР CST Studio Suite для моделирования цилиндрической спиральной антенны.
Цель работы - разработать и исследовать спиральную антенну для излучения мощных СШП импульсов при возбуждении биполярными импульсами длительность 0,5 нс. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. На примере готовой цилиндрической спиральной антенны создать и верифицировать ее численную модель в CST Studio Suite.
2. Провести моделирование и оптимизировать область перехода от коаксиального тракта к спирали, определяющую согласование и электрическую прочность антенны.
3. С использованием этих результатов разработать и исследовать коническую антенну для возбуждения биполярным импульсами длительность. 0.5 нс.
Для этих задач была предложена модель конической антенны. Предметом исследования является спиральная коническая антенна, результаты расчетов приведены в главе 4.
Достоверность результатов исследования основана на сопоставлении результатов моделирования с экспериментальными исследованиями, на использовании хорошо известного аппарата теории длинных линий и четырехполюсников, применении апробированного лицензионного программного обеспечения электродинамического моделирования и использовании современных измерительных приборов.
Проведены численные исследования цилиндрической спиральной антенны, предназначенной для излучения СШП мощного импульса Построена 3D модель антенн в среде электродинамического моделирования CST Studio suite, отражающая особенности реальной антенны, используемой в ИСЭ СО РАН.
Произведена оптимизация области входа антенны, включающей переход сложной формы от внутреннего электрода коаксиального фидера к спирали. Предложен вариант, упрощающий конструкцию, без существенного ухудшения параметров антенны.
Разрабаотана, изготовлена и исследована коническая спиральная антенна, предназначенная для возбуждения биполярным импульсами длительностью 0.5 нс.
Сходство между измеренными и моделированными данными свидетельствует о возможности использования упрощенной модели для дальнейших исследований и разработок. Точная модель может быть использована для оптимизации и улучшения конструкции антенны, проведения дополнительных экспериментов и прогнозирования ее характеристик.
Созданная модель конической спиральной антенны имеет широкую полосу рабочих частот, чтабильную диаграмму направленности и поляризационные характеристики. Такая антенна пригодна для излучения СШП импульсов с поляризацией, близкой к круговой.
