ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ИЗЛУЧЕНИЯ СПИРАЛЬНОЙ АНТЕННЫ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ КОРОТКИМИ СШП ИМПУЛЬСАМИ
|
РЕФЕРАТ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ И РЕШЕТКИ И ИХ ЦЕНТР ИЗЛУЧЕНИЯ ВДОЛЬ ОСИ В РЕЖИМЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ 8
1.1 Спиральные антенны и решетки спиральных антенн 8
1.2 Фазовый центр спиральной антенны 12
1.3 Центр излучения спиральной антенны в режиме излучения импульсов
наносекундной длительности 12
1.4 Центр излучения квадратной 2х2 решетки спиральных антенн в режиме
излучения импульсов наносекундной длительности 26
2 ЦЕНТР ИЗЛУЧЕНИЯ СШП СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН В ДИАПАЗОНЕ
УГЛОВ НАБЛЮДЕНИЯ 32
2.1 Методика нахождения центра излучения СШП антенн поворотом
относительно произвольной оси 32
2.2 Исследование положения центра излучения спиральной антенны в
режиме излучения наносекундных импульсов 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А ОТЧЕТ О ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 49
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ И РЕШЕТКИ И ИХ ЦЕНТР ИЗЛУЧЕНИЯ ВДОЛЬ ОСИ В РЕЖИМЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ 8
1.1 Спиральные антенны и решетки спиральных антенн 8
1.2 Фазовый центр спиральной антенны 12
1.3 Центр излучения спиральной антенны в режиме излучения импульсов
наносекундной длительности 12
1.4 Центр излучения квадратной 2х2 решетки спиральных антенн в режиме
излучения импульсов наносекундной длительности 26
2 ЦЕНТР ИЗЛУЧЕНИЯ СШП СПИРАЛЬНЫХ АНТЕНН В ДИАПАЗОНЕ
УГЛОВ НАБЛЮДЕНИЯ 32
2.1 Методика нахождения центра излучения СШП антенн поворотом
относительно произвольной оси 32
2.2 Исследование положения центра излучения спиральной антенны в
режиме излучения наносекундных импульсов 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А ОТЧЕТ О ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 49
Одним из важных параметров в традиционной (узкополосной) антенной теории является фазовый центр антенны. Многие реальные антенны не имеют фазового центра, но к ним применимо понятие частичного фазового центра [1]. В СШП радиофизике применяют понятие центра излучения, как аналог понятия фазового центра [2]. Также, как и в узкополосной радиофизике многие СШП антенны имеют частичный центр излучения. Здесь и далее под СШП излучением будем понимать излучение антенн, возбуждаемых короткими (субнаносекундной и наносекундной длительности) импульсами напряжения. В чем необходимость знания положения центра излучения СШП антенны? Данный вопрос может иметь важное значение в случае исследования ширины диаграммы направленности (ДН) антенны, в случае, когда исследуемая антенна является излучателем, установленным в фокусе зеркальной антенны, а также если она используется в системах позиционирования. Кроме того, без знания положения центра излучения СШП антенны невозможно точно определить эффективный потенциал источника СШП излучения - rEp (Ep- пиковое значение напряженности поля, измеренное в дальней зоне, а r- расстояние от приемной антенны до центра излучения передающей антенны). И тем не менее данный вопрос долгое время не интересовал исследователей. Этому есть несколько объяснений. Первое - интерес к импульсным электромагнитным полям возник в 60х годах прошлого века как следствие моратория на ядерные испытания. Было нужно оборудование, моделирующее ЭМИ ядерного взрыва [3]. Но когда нужно просто ударное воздействие на объект многие параметры излучателя уходят на второй план. Второе - во многих СШП системах в качестве излучателя применяются дипольные антенны или Impulse Radiating Antenna (IRA), для которых понятие центра излучения определяется геометрией излучающей системы и не требует специального исследования. С появлением новых видов СШП антенн - комбинированных антенн, а также с началом применения спиральных антенн в источниках СШП излучения возникла необходимость нахождения положения центра (центров) излучения данных антенн в режиме излучения коротких импульсов.
В текущей работе предложены две различные методики определения положения центра (центров) излучения спиральных антенн в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности.
Исходя из вышеизложенного, целью магистерской диссертации является исследование импульсного электромагнитного поля на оси спиральной антенны в ближней, промежуточной и дальней зоне излучения. Кроме того, целью диссертации является поиск таких сферических поверхностей (или частей сферической поверхности) на которых импульсы, излученные спиральной антенной регистрируются одновременно.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе ставились следующие задачи:
1) Синхронная (одновременная) регистрация импульсных компонент поля Exи Eyвдоль оси спиральной антенны или последовательная регистрация импульсных компонент поля Exи Eyсинхронизованных с точностью до единиц пикосекунд.
2) Определение по массиву экспериментальных данных критерия нахождения центра излучения.
3) Синхронная регистрация импульсных компонент поля Exи Eyв дальней зоне излучения спиральной антенны для произвольного угла отклонения от оси антенны 0.
Таким образом, предметом исследования является: импульсное электромагнитное поле эллиптической поляризации, излученное спиральной антенной в режиме ее возбуждения импульсами напряжения наносекундной длительности.
На защиту выносятся следующие защищаемые положения:
1. Выбирая различные точки отсчета для расстояния rвдоль оси спиральной антенны можно(необходимо) построить различные зависимости эффективного потенциала излучения rEp(r)антенны в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности. Тогда положение центра излучения антенны определяется начальным значением гс = 0, при котором зависимость rEp(r)становится постоянной величиной (rEp(r) =const) на минимальном расстоянии г.
2. Центр излучения спиральной эквидистантной цилиндрической антенны в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности не лежит на оси антенны. Сдвиг в радиальном направлении составляет 10% от длины волны на центральной частоте в спектре излученного импульса.
Достоверность полученных результатов: результаты, которые легли в основу первого защищаемого положения, получены в физическом и численном эксперименте, достоверность подтверждается совпадением результатов. Эксперименты проводились в безэховой камере, что снижает искажение распространяющейся от передающей антенны электромагнитной волны за счет переотражений. Кроме того, короткая длительность излученных импульсов позволяет разделить прямой сигнал с передатчика с переотраженным. В экспериментальной работе было задействовано передовое оборудование: генератор наносекундных импульсов TrimTМГ1000.110Р01: радиочастотные кабели Huber-Suhner: аттенюаторы, тройники Микран; скрещенные диполи и ТЕМ приемные антенны: цифровой осциллограф реального времени LeCroy WaveMaster 830Zi с полосой 30 ГГц. Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается совпадением экспериментальных и расчетных результатов изменения импульсного поля СШП антенны. Достоверность результатов подтверждается также тем, что эксперименты проводились с использованием современного оборудования и соответствующих стандартам методик измерений. В дополнение к оборудованию, указанному выше здесь также использовался цифровой осциллограф реального времени Tektronix DPO73304DX с полосой частот 33 ГГц.
Научная новизна заключается в следующем: для решения задачи по нахождению положения центра излучения спиральной антенны (решетки спиральных антенн) в режиме излучения наносекундных импульсов предложены две оригинальные методики. Данные методики реализованы как в физическом, так и численном экспериментах.
Научная ценность и практическая применимость: предложенные методики исследования положения центра (центров) излучения спиральной антенны (антенной решетки) позволяют точно находить эффективный потенциал источников СШП излучения rEpне прибегая к полигонным измерениям (т.е. в случае малых r); позволяют точно измерять ДН антенн; при использовании спиральной антенны в качестве облучателя зеркальной антенны, знание центра излучения спирали позволит точно позиционировать облучатель.
Апробация работы: результаты работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях, также по теме диссертации опубликовано 6 статей в журналах, индексируемых в базе цитирования «Scopus» и «Web of Science». Результаты были использованы при выполнении следующего проекта: «Исследование и разработка мощного источника сверхширокополосного излучения с многоэлементной решеткой цилиндрических спиральных антенн», грант РФФИ № 16-08-00297 А, от 5 сентября 2015 года, рук. Кошелев В.И.
В текущей работе предложены две различные методики определения положения центра (центров) излучения спиральных антенн в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности.
Исходя из вышеизложенного, целью магистерской диссертации является исследование импульсного электромагнитного поля на оси спиральной антенны в ближней, промежуточной и дальней зоне излучения. Кроме того, целью диссертации является поиск таких сферических поверхностей (или частей сферической поверхности) на которых импульсы, излученные спиральной антенной регистрируются одновременно.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе ставились следующие задачи:
1) Синхронная (одновременная) регистрация импульсных компонент поля Exи Eyвдоль оси спиральной антенны или последовательная регистрация импульсных компонент поля Exи Eyсинхронизованных с точностью до единиц пикосекунд.
2) Определение по массиву экспериментальных данных критерия нахождения центра излучения.
3) Синхронная регистрация импульсных компонент поля Exи Eyв дальней зоне излучения спиральной антенны для произвольного угла отклонения от оси антенны 0.
Таким образом, предметом исследования является: импульсное электромагнитное поле эллиптической поляризации, излученное спиральной антенной в режиме ее возбуждения импульсами напряжения наносекундной длительности.
На защиту выносятся следующие защищаемые положения:
1. Выбирая различные точки отсчета для расстояния rвдоль оси спиральной антенны можно(необходимо) построить различные зависимости эффективного потенциала излучения rEp(r)антенны в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности. Тогда положение центра излучения антенны определяется начальным значением гс = 0, при котором зависимость rEp(r)становится постоянной величиной (rEp(r) =const) на минимальном расстоянии г.
2. Центр излучения спиральной эквидистантной цилиндрической антенны в режиме излучения импульсов напряжения наносекундной длительности не лежит на оси антенны. Сдвиг в радиальном направлении составляет 10% от длины волны на центральной частоте в спектре излученного импульса.
Достоверность полученных результатов: результаты, которые легли в основу первого защищаемого положения, получены в физическом и численном эксперименте, достоверность подтверждается совпадением результатов. Эксперименты проводились в безэховой камере, что снижает искажение распространяющейся от передающей антенны электромагнитной волны за счет переотражений. Кроме того, короткая длительность излученных импульсов позволяет разделить прямой сигнал с передатчика с переотраженным. В экспериментальной работе было задействовано передовое оборудование: генератор наносекундных импульсов TrimTМГ1000.110Р01: радиочастотные кабели Huber-Suhner: аттенюаторы, тройники Микран; скрещенные диполи и ТЕМ приемные антенны: цифровой осциллограф реального времени LeCroy WaveMaster 830Zi с полосой 30 ГГц. Достоверность второго защищаемого положения обеспечивается совпадением экспериментальных и расчетных результатов изменения импульсного поля СШП антенны. Достоверность результатов подтверждается также тем, что эксперименты проводились с использованием современного оборудования и соответствующих стандартам методик измерений. В дополнение к оборудованию, указанному выше здесь также использовался цифровой осциллограф реального времени Tektronix DPO73304DX с полосой частот 33 ГГц.
Научная новизна заключается в следующем: для решения задачи по нахождению положения центра излучения спиральной антенны (решетки спиральных антенн) в режиме излучения наносекундных импульсов предложены две оригинальные методики. Данные методики реализованы как в физическом, так и численном экспериментах.
Научная ценность и практическая применимость: предложенные методики исследования положения центра (центров) излучения спиральной антенны (антенной решетки) позволяют точно находить эффективный потенциал источников СШП излучения rEpне прибегая к полигонным измерениям (т.е. в случае малых r); позволяют точно измерять ДН антенн; при использовании спиральной антенны в качестве облучателя зеркальной антенны, знание центра излучения спирали позволит точно позиционировать облучатель.
Апробация работы: результаты работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях, также по теме диссертации опубликовано 6 статей в журналах, индексируемых в базе цитирования «Scopus» и «Web of Science». Результаты были использованы при выполнении следующего проекта: «Исследование и разработка мощного источника сверхширокополосного излучения с многоэлементной решеткой цилиндрических спиральных антенн», грант РФФИ № 16-08-00297 А, от 5 сентября 2015 года, рук. Кошелев В.И.
По результатам выполнения выпускной квалификационной работы проведен обзор литературы по теме диссертации и выполнен поиск существующих подходов для нахождения положения центра (центров) излучения СШП антенн. На основе проведенного анализа определены пути для разработки соответствующих методик.
Предложена методика по определению положения центра излучения цилиндрической эквидистантной спиральной антенны в режиме аксиального излучения импульсов наносекундной длительности. Методика требует исследование импульсного поля излученного спиральной антенны вдоль своей оси. Находятся пиковые амплитуды поля Ер в ближней, промежуточной и дальней зонах антенны. На основе полученных данных строятся наборы зависимостей гЕр(г) (г - расстояние вдоль оси антенны). Из данных зависимостей находится центр излучения антенны с учетом условия, что в дальней зоне излучения гЕр= const. Проведенные исследования для спиральных антенн с разной геометрией показали, что центр излучения находится вблизи оси антенны и смещен в сторону земляной пластины из точки L/2 (L- полная длина антенны).
Аналогичные исследования были выполнены для квадратных антенных решеток. Центр излучения находился для оси решетки. Он оказался сдвинут в обратную сторону от земляной пластины из точки L/2.
Вторая методика основана на регистрации задержек прихода излученных антенной импульсов для разных углов наблюдения. Важный результат, полученный в данном исследовании состоит в том, что центр излучения спиральной антенны не лежит на оси антенны, а сдвинут в радиальном направлении. Сдвиг составляет 10% от полной длины антенны L. При этом, он оказывается смещен от точки L/2 от земляной пластины по оси.
Предложена методика по определению положения центра излучения цилиндрической эквидистантной спиральной антенны в режиме аксиального излучения импульсов наносекундной длительности. Методика требует исследование импульсного поля излученного спиральной антенны вдоль своей оси. Находятся пиковые амплитуды поля Ер в ближней, промежуточной и дальней зонах антенны. На основе полученных данных строятся наборы зависимостей гЕр(г) (г - расстояние вдоль оси антенны). Из данных зависимостей находится центр излучения антенны с учетом условия, что в дальней зоне излучения гЕр= const. Проведенные исследования для спиральных антенн с разной геометрией показали, что центр излучения находится вблизи оси антенны и смещен в сторону земляной пластины из точки L/2 (L- полная длина антенны).
Аналогичные исследования были выполнены для квадратных антенных решеток. Центр излучения находился для оси решетки. Он оказался сдвинут в обратную сторону от земляной пластины из точки L/2.
Вторая методика основана на регистрации задержек прихода излученных антенной импульсов для разных углов наблюдения. Важный результат, полученный в данном исследовании состоит в том, что центр излучения спиральной антенны не лежит на оси антенны, а сдвинут в радиальном направлении. Сдвиг составляет 10% от полной длины антенны L. При этом, он оказывается смещен от точки L/2 от земляной пластины по оси.