Библиографическое описание:

Гончаров В. А. Исследование характеристик широкополосных щелевых антенн с помощью функции Бесселя // Молодой ученый. — 2010. — №5. Т.1. — С. 46-47.

Проведены исследования направленных свойств широкополосных антенн типа Вивальди. Разработана методика, оптимальным образом совмещающая простые математические модели и результаты измерений характеристик реальных антенн.

 

Актуальность задачи исследования характеристик полосковых антенн с целью их оптимизации не вызывает сомнений. В технике СВЧ существует большое разнообразие конструкций широкополосных антенн. Однако, наиболее распространенным типом являются излучатели бегущей волны, которые конструктивно представляют открытый конец экспоненциально расширяющейся линии передачи. В литературе, например в статье [1], такие приборы называются антеннами Вивальди. Основной характеристикой любой антенны является диаграмма направленности. Несмотря на широкоугольность направленных свойств антенны Вивальди излучают электромагнитные волны с линейной поляризацией.

Аттестация отдельных антенн, как правило, проводится по результатам измерений их диаграмм направленности. Кроме того, для параметров широкополосных излучателей имеет место сложная частотная зависимость. Это в свою очередь требует увеличения и без того огромного объема измерений. Для этого требуются специальные средства, которые позволят резко сократить необходимый объем измерений. Моделирование реальных антенн должно решать такого типа проблемы. Однако, строгий электродинамический расчет необходимых для разработчика параметров с высокой точностью обычно требует больших затрат машинного времени. Поэтому несомненный практический интерес представляет совмещение простых математических моделей и результатов измерений отдельных характеристик реальной антенны. В настоящее время количество таких моделей весьма ограничено.

Теоретически, в качестве модели поверяемой антенны можно выбрать изотропный излучатель. Практически же, диаграмма направленности реальной антенны слабонаправленная. В инженерных расчетах ширину диаграммы направленности излучателя, как правило, задают по уровню половинной мощности. Тогда диаграмму направленности излучающего элемента можно аппроксимировать функцией Бесселя первого рода нулевого порядка по найденной эмпирически формуле

,                                               (1)

где a, b – корректирующие коэффициенты, a = b = 0,761; θ, φ – углы уклонения от нормали; Δθ – ширина диаграммы направленности в H-плоскости, Δθ = 60°; Δφ – ширина диаграммы направленности в E-плоскости, Δφ = 60°.

Аналогичные зависимости широко используются при аналитическом описании направленных свойств антенных систем. Возникающие при этом погрешности не должны превышать 10%. Для подтверждения достоверности расчетной модели (1) можно воспользоваться полученными в работе [4] результатами измерения диаграммы направленности излучателя в свободном пространстве. Экспериментальные исследования характеристик изолированного излучателя проводились в безэховой экранированной камере методом сравнения с эталонным рупором. По результатам измерений антенн в двух ортогональных плоскостях была установлена зависимость нормированной к максимальному уровню амплитуды излучаемого поля от углов уклонения. В H-плоскости при ширине диаграммы направленности по уровню половинной мощности 60° наблюдались такие результаты: F(40°, 0°) = 0,85, F(80°, 0°) =   = 0,56, F(160°, 0°) = 0,02. В E-плоскости были получены следующие результаты: F(0°, 40°) = 0,89, F(0°, 80°) = 0,51, F(0°, 160°) = 0,02.

Рис. 1. Диаграмма направленности, аппроксимированная функцией Бесселя

 

Электродинамическое моделирование рассмотренных в [4] полосковых антенн проводилось в прикладном пакете Mathsoft MathCAD. За основу модели щелевой антенны взята аппроксимация (1). По результатам моделирования в трехмерном виде была построена показанная на рис. 1 диаграмма направленности такой антенны. В H-плоскости расчетные даны по распределению поля в дальней зоне имеют следующий вид: F(40°, 0°) = 0,87, F(80°, 0°) = 0,54, F(160°, 0°) = 0,02. Приведем также количественные выборки для диаграммы направленности в E-плоскости: F(0°, 40°) = 0,87, F(0°, 80°) = 0,54, F(0°, 160°) = 0,02. Сравнивая расчетные и эксперимен-тальные данные можно сказать, что аппроксимация (1) достаточно точно описывает диаграмму направленности реальной антенны. Изменяя выражение (1) с помощью методов оптимизации [2, 3] можно повысить точность моделирования конкретной антенны.

С учетом всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Наиболее рациональным подходом к проектированию широкополосных щелевых антенн является оптимальное сочетание измерений и расчетов. Использование простых математических моделей дает выигрыш по времени, которое необходимо для проведения исследования поля антенны в дальней зоне. При моделировании волновых процессов выгоднее работать со стандартными функциями, например с функцией Бесселя первого рода нулевого порядка. Анализ полученных в НИР [4] результатов измерений характеристик антенны Вивальди показал, что построенная в данной работе модель достаточно точно описывает диаграмму направленности реального излучателя.

 

Литература:

1.       Альхарири М. Двухсторонний широкополосный излучатель Вивальди. – М.: Антенны, 2006, №8, с. 44

2.       Амитей Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. М.: Мир, 1974.

3.       Гостюхин В.Л., Гринева К.И., Трусов В.Н. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ / Под ред. В.Л. Гостюхина. – М.: Радио и связь. 1983. – 248 с.

4.       Казанцев Г. В. Исследование возможности построения активных многолучевых антенных решеток для широкополосных малогабаритных цифровых приемо-передающих устройств // Отчет по научно-исследовательской экспериментальной работе. – М.: ЦНИРТИ. 1996.

 

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle