МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ГИБРИДНО-ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ, ОБЛУЧАЕМОЙ КОНФОРМНОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ

March 31, 2012 by admin Комментировать »

Лобкова Л. М., Редин М. И. Севастопольский национальный технический университет Студгородок, г. Севастополь, 99053, Украина Тел.: +3(0692) 235233; e-mail: rt.sevgtu@stel.sebastopol.ua

Аннотация – Разработана математическая модель поля излучения гибридно-зеркальной антенны на основе антенны Кассегрена, облучающая система которой заменена решеткой конических спиральных излучателей, расположенных на гиперболической поверхности.

I.  Введение

где а -полный угол намотки, J3- угол конусности, cl- шаг спиральной линии, го- начальный радиус намотки.

Переходя к вопросу определения координат элемента спирали, обратимся крис.1.

Рис. 1. К вычислению координат элемента спирали.

На сегодняшний день является актуальным использование антенных решеток с элементами вращающейся поляризации поля излучения [3]. Одним из решений является использование направленных конических спиральных излучателей.

Возможность использования антенных решеток с элементами расположенными на мнимой поверхности дает дополнительные возможности и преимущество по сравнению с плоскими облучающими решетками [1]. Конформные антенные решетки позволяют формировать необходимое амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве облучаемого зеркала и выделить необходимое количество лучей.

В докладе представлено развитие математической модели расчета поля в ближней зоне излучения гибридно-зеркальных антенн. Причем, облучающая антенная решетка, расположенная на конформной поверхности, состоит из двухзаходных конических спиральных излучателей (КСИ), размещенных на гиперболической поверхности. Такие антенные системы могут находить свое применение в наземных линиях связи в ретрансляторах.

II.  Основная часть

Методика построения гибридно-зеркальной антенны базируется на схеме Кассегрена, в которой облучатель и малое зеркало заменяются решеткой излучателей, расположенных на гиперболической поверхности. При этом поле излучателей рассматривается как эквивалент поля токов на малом зеркале в антенне Кассегрена [4].

Элементы решетки выполнены в виде двухзаходных эквишаговых КСИ. Причем, конические излучатели расположены своим меньшим основанием к зеркалу, а большим расположены на конформной поверхности, гиперболического профиля.

Из всех потенциально возможных спиральных облучателей выбираем конический двухзаходный, на базе данного излучателя возможно получить режим осевого излучения с узкой ДН, отвечающую требованиям поставленной задачи – облучать основное зеркало двухэлементной антенной решеткой, состоящей из КСИ, для получения двух лучей на выходе системы (выявления ретранслирующих свойств антенны). Выбор геометрических параметров и расположение конуса большим основанием на конформной поверхности дает необходимый режим излучения [5].

Перейдем к зависимостям, описывающие геометрические параметры конической спирали. Выражение для каждого захода спирали имеет следующий вид [5]:

Fig. 1. Explanation of calculation the coordinates for spiral element

Запишем следующее соотношение:

Выражения, описывающие геометрию конуса, справедливы для координатной системы XYZ, связанной с конформной поверхностью. Введем координатную систему X’Y’Z’, начало отсчета которой находится в точке N на конформной поверхности и связано со спиральным элементом решетки. В таком случае необходимо установить соответствие между уравнениями кривой в этих системах. Таким образом, положение элемента решетки на конформной поверхности, заданной формулой pN=f(0,ф), где ры – радиус-вектор, проведенный в точку N, ф – угол прецессии, 9 – угол нутации, ср – угол чистого вращения, может быть однозначно определено посредством этих четырех параметров. Координатные системы XYZ и X’YZ’ взаимосвязаны с помощью коэффициентов Эйлера: где £ i, j – коэффициенты Эйлера, pn – уравнение поверхности, заданное в полярных системах координат.

Используемое параболическое зеркало, имеет следующий профиль в полярных координатах:

где 9max – максимальны угол раскрыва зеркала.

Дальнейшее рассмотрение ГЗА полностью зависит от представления расстояния Г от элемента решетки. Для любой геометрии излучателя будем рассматривать два варианта направления его оси, соответствующей направлению максимума его диаграммы направленности. Первое направление совпадает с направлением внутреннего радиуса гиперболической поверхности р. Второе направление ориентации оси излучателя совпадает с направлением фокальной оси Z. Таким образом, меняя направление оси излучателя, можем формировать требуемое амплитудное распределение поля в апертуре антенны [3].

Зная расстояние от точки расположения излучателя на гиперболической поверхности до точки на зеркале, можем перейти к рассмотрению поля излучения конформной решетки вблизи поверхности большого зеркала.

где S – длина проводника спирали [2].

Будем решать задачу в предположении распределения тока вдоль проводника в виде бегущей волны [2]:

замедление волны в спиральной структуре. При этом текущая длина каждого захода, также отсчитываемая от точки возбуждения, соответственно будет равна:

Поле излучения спирали для произвольного распределения тока I(s) вдоль проводника спирали, используя определение векторного потенциала[2]: где пвн – внутренняя нормаль к поверхности зеркала, проекции которой в системе X’Y’Z’, связанной с поверхностью зеркала представлены на рисунке 2;

Нм – составляющие магнитного поля на поверхности зеркала. Обратимся к рисунку 2, где показано размещение конического излучателя на конформной поверхности с осью, сонаправленной с радиус- вектором этой поверхности, вид параболического зеркала.

Рис. 2. К определению поверхностной плотности тока.

Fig. 2. Explanation of surface current determination.

Можно вычислить магнитные составляющие поля, создаваемые одним излучателем, расположенным на гиперболической поверхности с ориентацией оси спиральной структуры вдоль направления ради- ус-вектора гиперболической поверхности.

Для случая нескольких излучающих структур, расположенных на гиперболической поверхности, будем иметь:

где ns = 2;3;4.

Учитывая это, магнитную составляющую поля в точке можем определить, используя соотношение [4]:

Для определения поверхностной плотности тока Js(x,y,z) воспользуемся приближением физической оптики, согласно которому элементы поверхности зеркала можно представить в виде плоскости, касательной в точке отражения падающего луча.

Следует заметить, что моделирование производилось в пределах половины раскрыва зеркала от 0° до 55°, при расчете выбирался КСИ со следующими параметрами: угол конусности 12° , количество витков 9, шаг спирали 25 мм, начальный радиус намотки 5 мм. Результаты моделирования представлены на графической зависимости, отражающей амплитуду вектора магнитной напряженности в раскрыве зеркала антенны при фиксированном наклоне спирального элемента к фокальной оси.

III.  Заключение

В результате теоретического исследования поля излучения ГЗА. математическая модель поля излучения ГЗА на основе применения схемы антенны Кассегрена, облучающая система которой заменена решеткой излучателей, расположенных на гиперболической поверхности применена к двум двухзаход- ным КСИ. В результате численного моделирования поля излучения ГЗА в ближней зоне: получен результат, графически отображающий амплитуду вектора магнитной напряженности в раскрыве зеркала антенны, формируемого конформной антенной решеткой. Видно, что излучаемое поле имеет два ярко выраженных максимума, что в свою очередь дает возможность предсказывать двухлучевой режим излучения.

Рис. 3. Зависимость амплитуды вектора магнитной напряженности в плоскости YOZ апертуры антенны от угла раскрыва.

Fig. 3. Amplitude of magnetic field strength in YOZ plane of antenna aperture as a function of opening angle

IV.  Список литературы

[1] Жук М. С.. Молочков Ю. Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств. – М.: Энергия, 1973. – 440 с.

[2]  Проценко М. Б.. Степанов П. Н„ Лукьянчиков

А.      В. Исследование поляризационных характеристик поля конических спиральных структур с заданной геометрией// Мат. 8-я Меж. конф. «КрыМиКо», Севастополь, Украина, 1998. – С.492-493.

[3]  Мишарева Н. И.. Головин В. В.. Пеньков М. М. Влияние направленных свойств облучателя на характеристики параболической антенны// Вестник СевГТУ. Вып. 32: Информатика, электроника, связь: Сб. науч. тр. Сева- стоп. гос. тех. ун-т,- Севастополь, 2002. – С. 118-123.

[4]  Пирог А. В. Анализ и методы построения двухзеркальных антенн со смещенной фокальной осью: Дисс. на соиск. степ. канд. техн. наук: 05.12.07,-Защищена 10.02.99; Утв. 1.09.99-М., 1999. – 179 с.

[5]  StepanovL. N.. Lukyanchikov А. V. Radiation characteristics of a multiple-arm conical helical antennas with two points excitation// Proceedings of the 3rd International Conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine 1999.

MODELING OF RADIATION NEAR-FIELD PATTERN OF HYBRID-REFLECTOR ANTENNA IRRADIATED BY CONFORMAL ANTENNA ARRAY

Lobkova L. М., Redin М. I.

Sevastopol National Technical University Studgorodok, Sebastopol – 99053, Ukraine phone: +3(0692) 235233 e-mail: rt. sevgtu@stel. sebastopol. ua

Abstract -Mathematical model is presented for far-field radiation of hybrid-spiral antenna, based on Cassegrain antenna with radiation system replaced by conical spiral antenna array, arranged on hyperbolic surface.

I.  Introduction

Application of the antenna arrays with radiators located on imaginary surface provides additional possibilities and advantage compared with conventional plane antenna arrays[1]. Con- formal antenna arrays form desired amplitude-phase field distribution in illuminated reflector aperture and extract the desired number of antenna beams. The paper presents the development of mathematical model for the near-field calculation of the hybrid-reflector antennas where the irradiating antenna array, installed on a conformal surface, consists of bilifar helix radiators, arranged on hyperbolic surface. These antennas are suitable for application in ground relays of communication links.

II.  Main part

To provide the desired amplitude-phase distribution in reflector aperture there are two different ways to direct the antenna array elements located on hyperbolic surface (Fig.2). The first orientation is along radius-vector of hyperbolic surface, the second one – strictly parallel to the focal axis of main reflector.

Equations, describing the geometry of this antenna in XYZ- plane, depended on virtual surface are expressed by (1), where a

–  complete winding angle, p-angle of cone obliquity, d-separation of spiral line, Го – initial winding radius. To simplify calculations we use the auxiliary coordinate system X’Y’Z’, centered on the virtual surface at point N and connected with spiral element. The X’Y’Z’ coordinate system is rotated on any angle 9max within aperture. Both XYZ and X’Y’Z’ coordinate systems are interrelated by Eiler’ coefficients £ j j calculated with (2).

Vector potential method is described by (4), where l(S) – current distribution along spiral line, S-spiral element length. We used traveling wave current distribution (5) and then determine magnetic vector by (7).

Using some simplifications of geometrical optic model we determined surface current as (8) where „ -internal vector

11BH

normal to the surface, having the projections on X’Y’Z’ plane shown in Fig.2, which also illustrates conical spiral element installed on reflector and virtual surface. An axis of spiral antenna and radius-vector of the virtual surface are codirectional.

If several radiating structures are arranged on the hyperbolic surface then their magnetic vector strengths are given by (9). Modeling was made within reflector aperture angular range of 0° to 55° using conical spiral radiator having 9 turns with 25mm separation, with cone angle 12°and initial winding radius 5 mm.

Modeling results are shown in Fig.2 in the form of two-beam near-field pattern.

III.  Conclusion

As a result, the mathematical model of hybrid-spiral antenna field near-field radiation is presented. Antenna has the form of Cassegrain antenna with radiating system in the form of conical spiral antenna array, arranged on hyperbolic surface.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты