ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ФОКУСИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА И СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ
|
Реферат 2
Введение 4
1 Электрофизические свойства материалов 8
2 Методы измерения электрофизических характеристик 11
2.1 Резонаторный метод 11
2.2 Метод линии передачи 14
2.3 Метод измерений в свободном пространстве 16
2.4 Измерение коэффициента поглощения радиопоглощающего материала 17
2.5 Измерение коэффициента отражения радиопоглощающего материала 18
3 Сверхширокополосные антенны 20
3.1 Комбинированная антенна 20
3.2 Антенна типа «улитка» 23
3.3 Диаграммы направленности комбинированной антенны 25
3.4 Диаграммы направленности антенны типа «улитка» 31
4 Численные эксперименты 37
4.1 Одиночная комбинированная антенна 37
4.2 Параболический рефлектор 45
4.3 Параболический рефлектор и СШП-облучатель 46
4.4 Фокусировка электромагнитного поля в локальной области 52
Заключение 56
Список используемой литературы 57
Введение 4
1 Электрофизические свойства материалов 8
2 Методы измерения электрофизических характеристик 11
2.1 Резонаторный метод 11
2.2 Метод линии передачи 14
2.3 Метод измерений в свободном пространстве 16
2.4 Измерение коэффициента поглощения радиопоглощающего материала 17
2.5 Измерение коэффициента отражения радиопоглощающего материала 18
3 Сверхширокополосные антенны 20
3.1 Комбинированная антенна 20
3.2 Антенна типа «улитка» 23
3.3 Диаграммы направленности комбинированной антенны 25
3.4 Диаграммы направленности антенны типа «улитка» 31
4 Численные эксперименты 37
4.1 Одиночная комбинированная антенна 37
4.2 Параболический рефлектор 45
4.3 Параболический рефлектор и СШП-облучатель 46
4.4 Фокусировка электромагнитного поля в локальной области 52
Заключение 56
Список используемой литературы 57
В связи с развитием радиотехнических систем и появлением новых материалов существует необходимость точного измерения их электрофизических параметров, особенно в СВЧ диапазоне. Это важно для выбора подходящих материалов в таких областях, как связь, радиолокация, медицинская техника и другие высокотехнологичные направления [1-3]. Одним из значимых параметров, которые нужно учитывать при работе с СВЧ-материалами, являются поляризационные характеристики. Поляризация электромагнитных волн напрямую влияет на то, как сигнал проходит через материал или отражается от него. Это необходимо при разработке радиопрозрачных покрытий для антенн, создании эффективных СВЧ-поглотителей и исследовании диэлектриков. Важно не только измерять, насколько материал отражает или поглощает сигнал, но и как он влияет на поляризацию электромагнитной волны. Поэтому развитие и улучшение методов измерения поляризационных свойств в широком диапазоне частот остаётся актуальной задачей и для науки, и для практических применений.
Цель работы - численное моделирование и экспериментальное исследование СШП рефлекторных фокусирующих систем для оценки уровня и минимизации кроссполяризованного излучения при измерении электрофизических свойств плоских диэлектриков.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо выполнить
следующие задачи:
1. Численное моделирование СШП антенн-облучателей и исследование их поляризационных свойств.
2. Численное моделирование и исследование поляризационных свойств рефлекторных систем.
3. Исследование поляризационных свойств электромагнитного поля,
сфокусированного в локальной области.
Для достижения поставленных задач в работе рассмотрены существующие методы измерения электрофизических параметров материалов, проведено моделирование СШП антенн в среде CST Studio Suite. Путем проведения численного эксперимента исследованы поляризационные характеристики фокусирующей системы, состоящей из параболического рефлектора (параболического зеркала) и СШП антенны-облучателя. Были рассмотрены три различных профиля параболических отражателей различной глубины (расстояния от вершины параболоида до апертуры рефлектора). Для каждого профиля моделировались системы с восемью различными диаметрами раскрыва в диапазоне от 0,9 до 3 метров.
Объект исследования: импульсные и гармонические электромагнитные поля радиодиапазона.
Предмет исследования: поляризационные свойства электромагнитного поля фокусирующей системы в локальной области пространства вблизи фокальной оси.
Методы исследования: электромагнитное моделирование, эксперимент.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. По сравнению с одиночной комбинированной антенной внесение комбинированной антенны в фокус круглого параболического рефлектора позволяет снизить Ерф/Ере в 1,2—1,9 раз в пределах полуширины диаграммы направленности при приведенном диаметре рефлектора от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. Ерф - пиковая напряженность кроссполяризованной компоненты электрического поля, Ере - пиковая напряженность основной компоненты электрического поля.
2. При возбуждении комбинированной антенны-облучателя биполярным импульсом длительностью т = 0,5 нс и выборке из 24 вариантов рефлекторов диаметром D’ = 6..20ст и глубиной от 1 до 1,67ст выявлено, что при D’ зеркала 6..14ст максимальный эффективный потенциал имеет глубокое зеркало (1,67ст), при D’ = 14..20ст глубину нужно уменьшать до 1,33ст.
Научная новизна диссертации
Показано, что размещение комбинированной антенны-облучателя в фокусе круглого параболического рефлектора по сравнению с одиночной антенной позволяет существенно снизить отношение пиковой амплитуды кроссполяризованной компоненты Е к основной компоненте излучения на полуширине диаграммы направленности. Установлено, что степень подавления достигает 1,2-1,9 раз при диаметре параболического зеркала от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса.
Введено представление об эффективном приведённом потенциале для оценки фокусирующих свойств системы с параболическим рефлектором и СШП-облучателем. На основе этого критерия выявлен оптимальный диапазон размеров круглого прямофокусного отражателя, при котором обеспечивается наилучшая концентрация энергии в пространстве и минимум поляризационных искажений.
Практическая значимость
Результаты проведённого исследования представляют интерес для разработки фокусирующих антенных систем, работающих в сверхширокополосном диапазоне. Полученные данные о снижении уровня кроссполяризации при использовании комбинированного облучателя в фокусе параболического отражателя позволяют повысить эффективность антенн, применяемых в радиолокации, связи, навигации и других радиотехнических системах, чувствительных к поляризационным искажениям.
Определение оптимальных геометрических параметров параболического рефлектора с точки зрения распределения эффективного потенциала даёт возможность целенаправленно проектировать антенны с улучшенными характеристиками направленности и минимальными потерями энергии. Это особенно важно при создании компактных и высокоточных устройств, где критичны параметры излучения во времени и пространстве.
Разработанные подходы могут быть использованы при моделировании и испытании радиопрозрачных покрытий, СВЧ-поглотителей, а также при проектировании адаптивных и поляризационно-чувствительных антенн для гражданского и специального назначения.
Структура диссертации
В первой главе описаны некоторые электрофизические свойства материалов. Вторая глава посвящена рассмотрению методов определения электрофизических параметров радиопоглощающих материалов. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования и моделирования СШП трех комбинированных антенн, определен КСВН и характеристики направленности. В четвертой главе описаны результаты электромагнитного моделирования в среде CST Studio Suite одиночной сверхширокополосной антенны-облучателя, спроектирована модель фокусирующей системы, которая состоит из параболического рефлектора и СШП-облучателя. В этой главе также приведены результаты измерений геометрических параметров существующего параболического рефлектора, выполненные с целью его последующего моделирования. На основе полученных данных было определено уравнение параболы, описывающее форму отражающей поверхности. Это позволило корректно задать профиль рефлектора в численной модели фокусирующей системы. Далее представлены результаты оценки фокусирующих свойств системы с параболическим рефлектором и СШП-облучателем 24-х исследуемых моделей. Рассмотрены возможности фокусировки излучения системы за счет сдвига облучателя (в виде СШП комбинированной антенны) из фокуса параболического рефлектора.
Личный вклад автора
Автором было проведено электромагнитное моделирование СШП-антенн, а также фокусирующей системы, которая состоит из параболического рефлектора и антенны- облучателя, проанализированы полученные результаты моделирования, влияние геометрии рефлектора на поляризационные свойства электромагнитной волны. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях комбинированных антенн.
Цель работы - численное моделирование и экспериментальное исследование СШП рефлекторных фокусирующих систем для оценки уровня и минимизации кроссполяризованного излучения при измерении электрофизических свойств плоских диэлектриков.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо выполнить
следующие задачи:
1. Численное моделирование СШП антенн-облучателей и исследование их поляризационных свойств.
2. Численное моделирование и исследование поляризационных свойств рефлекторных систем.
3. Исследование поляризационных свойств электромагнитного поля,
сфокусированного в локальной области.
Для достижения поставленных задач в работе рассмотрены существующие методы измерения электрофизических параметров материалов, проведено моделирование СШП антенн в среде CST Studio Suite. Путем проведения численного эксперимента исследованы поляризационные характеристики фокусирующей системы, состоящей из параболического рефлектора (параболического зеркала) и СШП антенны-облучателя. Были рассмотрены три различных профиля параболических отражателей различной глубины (расстояния от вершины параболоида до апертуры рефлектора). Для каждого профиля моделировались системы с восемью различными диаметрами раскрыва в диапазоне от 0,9 до 3 метров.
Объект исследования: импульсные и гармонические электромагнитные поля радиодиапазона.
Предмет исследования: поляризационные свойства электромагнитного поля фокусирующей системы в локальной области пространства вблизи фокальной оси.
Методы исследования: электромагнитное моделирование, эксперимент.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. По сравнению с одиночной комбинированной антенной внесение комбинированной антенны в фокус круглого параболического рефлектора позволяет снизить Ерф/Ере в 1,2—1,9 раз в пределах полуширины диаграммы направленности при приведенном диаметре рефлектора от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. Ерф - пиковая напряженность кроссполяризованной компоненты электрического поля, Ере - пиковая напряженность основной компоненты электрического поля.
2. При возбуждении комбинированной антенны-облучателя биполярным импульсом длительностью т = 0,5 нс и выборке из 24 вариантов рефлекторов диаметром D’ = 6..20ст и глубиной от 1 до 1,67ст выявлено, что при D’ зеркала 6..14ст максимальный эффективный потенциал имеет глубокое зеркало (1,67ст), при D’ = 14..20ст глубину нужно уменьшать до 1,33ст.
Научная новизна диссертации
Показано, что размещение комбинированной антенны-облучателя в фокусе круглого параболического рефлектора по сравнению с одиночной антенной позволяет существенно снизить отношение пиковой амплитуды кроссполяризованной компоненты Е к основной компоненте излучения на полуширине диаграммы направленности. Установлено, что степень подавления достигает 1,2-1,9 раз при диаметре параболического зеркала от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса.
Введено представление об эффективном приведённом потенциале для оценки фокусирующих свойств системы с параболическим рефлектором и СШП-облучателем. На основе этого критерия выявлен оптимальный диапазон размеров круглого прямофокусного отражателя, при котором обеспечивается наилучшая концентрация энергии в пространстве и минимум поляризационных искажений.
Практическая значимость
Результаты проведённого исследования представляют интерес для разработки фокусирующих антенных систем, работающих в сверхширокополосном диапазоне. Полученные данные о снижении уровня кроссполяризации при использовании комбинированного облучателя в фокусе параболического отражателя позволяют повысить эффективность антенн, применяемых в радиолокации, связи, навигации и других радиотехнических системах, чувствительных к поляризационным искажениям.
Определение оптимальных геометрических параметров параболического рефлектора с точки зрения распределения эффективного потенциала даёт возможность целенаправленно проектировать антенны с улучшенными характеристиками направленности и минимальными потерями энергии. Это особенно важно при создании компактных и высокоточных устройств, где критичны параметры излучения во времени и пространстве.
Разработанные подходы могут быть использованы при моделировании и испытании радиопрозрачных покрытий, СВЧ-поглотителей, а также при проектировании адаптивных и поляризационно-чувствительных антенн для гражданского и специального назначения.
Структура диссертации
В первой главе описаны некоторые электрофизические свойства материалов. Вторая глава посвящена рассмотрению методов определения электрофизических параметров радиопоглощающих материалов. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования и моделирования СШП трех комбинированных антенн, определен КСВН и характеристики направленности. В четвертой главе описаны результаты электромагнитного моделирования в среде CST Studio Suite одиночной сверхширокополосной антенны-облучателя, спроектирована модель фокусирующей системы, которая состоит из параболического рефлектора и СШП-облучателя. В этой главе также приведены результаты измерений геометрических параметров существующего параболического рефлектора, выполненные с целью его последующего моделирования. На основе полученных данных было определено уравнение параболы, описывающее форму отражающей поверхности. Это позволило корректно задать профиль рефлектора в численной модели фокусирующей системы. Далее представлены результаты оценки фокусирующих свойств системы с параболическим рефлектором и СШП-облучателем 24-х исследуемых моделей. Рассмотрены возможности фокусировки излучения системы за счет сдвига облучателя (в виде СШП комбинированной антенны) из фокуса параболического рефлектора.
Личный вклад автора
Автором было проведено электромагнитное моделирование СШП-антенн, а также фокусирующей системы, которая состоит из параболического рефлектора и антенны- облучателя, проанализированы полученные результаты моделирования, влияние геометрии рефлектора на поляризационные свойства электромагнитной волны. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях комбинированных антенн.
В ходе выполнения научно-исследовательской работы был проведён анализ методов измерения электрофизических параметров материалов. Обзор литературы по теме диссертации показал, что исследования во временной области рефлекторных антенн с СШП-облучателями являются актуальными, а вопросам поляризационной структур излученного поля уделено мало внимания. Рассмотрены резонаторный метод, метод линии передачи и метод измерений в свободном пространстве, их преимущества и ограничения. Особое внимание уделено методу измерений на проход в свободном пространстве, как наиболее универсальному для оценки свойств материалов, включая нагретые образцы.
Изучены принципы работы СШП комбинированных антенн. Получены практические навыки численного моделирования и экспериментальных исследований с использованием векторного анализатора Agilent PNA N5227A. Экспериментальные исследования коэффициента согласования были проведены для трёх реальных комбинированных антенн, а также численное моделирование одиночных антенн- облучателей в программной среде CST Studio Suite. Модели антенн соответствовали по габаритам и форме реальным образцам, а сравнение частотных зависимостей коэффициента согласования экспериментально и численно подтверждают достоверность используемых моделей.
Основная часть работы посвящена численному моделированию фокусирующей системы, состоящей из круглого параболического рефлектора и СШП облучателя. Всего рассмотрено 24 конфигурации, полученные при сочетании трёх различных глубин зеркала и восьми диаметров раскрыва от 0,9 до 3 м или же от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. В ходе моделирования исследованы поляризационные свойства излучения в дальней зоне во временной области.
Установлено, что по сравнению с одиночной комбинированной антенной внесение комбинированной антенны в фокус круглого параболического рефлектора позволяет снизить Ep^/EpQ в 1,2-1,9 раз в пределах полуширины диаграммы направленности при приведенном диаметре рефлектора от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. По выборке из 24 моделей наименьшим приведенным эффективным потенциалом обладало мелкое зеркало (глубина 1ст).
Изучены принципы работы СШП комбинированных антенн. Получены практические навыки численного моделирования и экспериментальных исследований с использованием векторного анализатора Agilent PNA N5227A. Экспериментальные исследования коэффициента согласования были проведены для трёх реальных комбинированных антенн, а также численное моделирование одиночных антенн- облучателей в программной среде CST Studio Suite. Модели антенн соответствовали по габаритам и форме реальным образцам, а сравнение частотных зависимостей коэффициента согласования экспериментально и численно подтверждают достоверность используемых моделей.
Основная часть работы посвящена численному моделированию фокусирующей системы, состоящей из круглого параболического рефлектора и СШП облучателя. Всего рассмотрено 24 конфигурации, полученные при сочетании трёх различных глубин зеркала и восьми диаметров раскрыва от 0,9 до 3 м или же от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. В ходе моделирования исследованы поляризационные свойства излучения в дальней зоне во временной области.
Установлено, что по сравнению с одиночной комбинированной антенной внесение комбинированной антенны в фокус круглого параболического рефлектора позволяет снизить Ep^/EpQ в 1,2-1,9 раз в пределах полуширины диаграммы направленности при приведенном диаметре рефлектора от 6 до 20 пространственных длительностей возбуждающего импульса. По выборке из 24 моделей наименьшим приведенным эффективным потенциалом обладало мелкое зеркало (глубина 1ст).
