Анализ параметров сверхширокополосных антенн на примере конических структур

• Автор: Макурин, Михаил Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 91 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Решение задачи о возбуждении биконической антенны. Метод частичных областей
1.1 Представление полей в сферической системе координат
1.2 Граничные условия на поверхности конусов
1.3 Биконический излучатель конечной длины
1.4 Проверка полученного решения
2. Анализ характеристик биконической антенны
2.1 Входной импеданс биконической антенны
2.2 Диаграмма направленности биконической антенны
2.3 Реализация предельной области согласования с возбуждающей линией для
биконической антенны
2.4 Определение рабочего диапазона частот биконической антенны
2.5 Фазовая характеристика биконических антенн
2.6 Сравнение характеристик биконической антенны со сферическим торцом и
биконической антенны с полыми конусами
2.7 Диаграмма направленности биконической антенны больших электрических
размеров
2.8 Эквивалентная схема, описывающая входной импеданс биконической антенны
3. Расчёт параметров биконической и дискоконусной антенн методом ПУП)
3.1 Введение
3.2 Численные уравнения
3.3 Эквивалентная схема возбуждения биконической антенны
3.4 Определение области вычислений
3.5 Выбор размера шага сетки
3.6 Алгоритм численного эксперимента
3.7 Результаты расчета параметров биконической и дискоконусной антенны
3.8 Ударное возбуждение биконической (дискоконусной) антенны
4. Метод конечных элементов в задачах возбуждения конических структур
Заключение
Список литературы

Введение
Данная работа посвящена решению электродинамической задачи о возбуждении биконической и дискоконусной антенн. Биконические и родственные им дискоконусные антенны имеют чрезвычайно широкую полосу работах частот и относятся к классу сверхширокополосных антенн. Последние 10-15 лет такие антенны широко востребованы в связи с бурным развитием беспроводных коммуникаций со скоростями передачи информации порядка сотен Мбит/с и радиолокации высокого разрешения [1-4]. Необходимость рассмотрения широкополосных свойств антенн связано с тем, что таковые существенно отличаются от повсеместно используемых относительно узкополосных антенн. В UWB (Ultra Wide Band) системах свойства антенны существенно влияют на форму излученного импульса, причём как передающих, так и приёмных, когда относительная ширина спектра сигнала сопоставима с рабочей полосой частот антенн. Интерес к биконическим антеннам, появившимся более века назад [5], благодаря их уникальным свойствам, сохраняется до настоящего времени [6-19]. Целью таких работ является уменьшение геометрических размеров антенны, улучшение входных характеристик и характеристик излучения. Редкая возможность получения достаточно точного решения для параметров биконической антенны позволяет использовать ее как эталонную антенну [20].
В большинстве работ наиболее актуальный вопрос о широкополосности излучателя с коническими поверхностями рассматривается исключительно на основании частотной зависимости входного импеданса без учета частотных изменений его направленности, и пренебрежении конструктивными особенностями сопряжения биконической антенны с возбуждающим фидером. В [В], [9] отмечено, что в реальных антеннах конечный размер области возбуждения приводит к появлению высших мод в питающем коаксиальном кабеле и соответственно к ограничению полосы рабочих частот сверху, а её относительный рабочий диапазон частот, определяемый условиями согласования, достигает 8...10.
Для подавляющего большинства антенн, которые являются резонансными, и поэтому относительно узкополосными (2A//y,«l), требование к стабильности диаграммы направленности (ДН) не возникает. Ведь в узком относительном диапазоне частот

изменение электрических размеров резонансных излучателей приводит к пренебрежимо малым изменениям ДН. Даже для достаточно широкополосных антенн, когда 2А/1/лу~0,1—0,2, этим обычно пренебрегают.
Биконическая антенна и дисконусная антенна при некоторых углах раскрыва являются сверхширокополосными (СШП), то есть ее относительный частотный диапазон к = /н / > 2 . В этом случае ее электрические размеры изменяются более чем вдвое в
рабочем диапазоне частот, определенном по частотной функции входного импеданса. Очевидно, что при этом деформации ДН могут быть велики. Поэтому в данной работе была поставлена задача проанализировать реальную диапазонность биконической антенны, обусловленную как условиями согласования в рабочей области частот, так и допустимыми изменениями ее ДН во всем этом диапазоне. У дискоконусной антенны помимо угла раскрыва дополнительным параметром, влияющим на характеристики антенны, является диаметр диска.
Решать задачу о возбуждении биконической либо дискоконусной антенн можно различными методами. Характерной геометрической особенностью этих антенн является то, что все металлические поверхности лежат на координатных поверхностях сферической системы координат. Поэтому для расчёта параметров можно применить такие методы решения электродинамических задач как метод частичных областей [21],, метод Винера -Хопфа — Фока [21],[22],[23] и численный методы (БОТО, метод конечных элементов (МКЭ)). Первые два метода и МКЭ применяются в частотной области, а РОТ!) — во временной, поэтому он чрезвычайно удобен при рассмотрении излучения сверхкоротких импульсов. Метод конечных элементов позволяет решать задачи электродинамики, в которых поверхности тел не лежат на координатных поверхностях. В рамках этого метода возможно оценить влияние геометрии области возбуждения, влияние подводящего фидера или влияние различных дополнительных элементов антенны, не вписывающихся в сферическую систему координат.
Теоретически алгоритм решения задачи нахождения параметров биконической антенны методом частичных областей обоснован еще Щелкуновым С.А [24], [25], но получить законченное решение до появления ЭВМ не представлялось возможным. Первое приближение решения методом частичных областей при учете одной-двух собственных волн получено Зерновым Н.В [26]. Одно из обстоятельных решений задачи об антеннах с коническими поверхностями выполнено Гошиным Г.Г. [27-32] на основе интегрального преобразования Лебедева-Конторовича [33] и метода Винера-Хопфа-Фока. В этой работе
полосе от 180° до 240°. Помимо уже вычисленной фазовой характеристики антенны, фазовые искажения вносит также согласование источника сигнала с антенной, поскольку импедансы антенны и питающей линии не совпадают во всем диапазоне рабочих частот.
2.6 Сравнение характеристик бпконнческой антенны со сферическими торцами и биконической антенны с полыми конусами
Практические реализации биконической и дискоконусной антенны чаще всего используют полые конусы с углами раскрыва порядка 60°, значительно снижающими высоту антенны. При расчетах же наоборот удобнее было использовать модели антенн со сферическим торцом, поскольку ненужно вычислять электромагнитные поля внутри конусов.
Все ранее проведенные в этой работе расчеты проводились для антенн с полыми конусами, но как указывалось ранее, приравняв коэффициенты для собственных волн внутри конусов к нулю, можно получить решение для антенны со сферическими торцами.
Из физических соображений очевидно, что для малых углов раскрыва биконической антенны влияние сферических торцов будет незначительным. При средних и больших углах сферические торцы уже существенно влияют на геометрию антенны и характеристики антенны.
Рассмотрим электромагнитное поле на сфере с радиусом равным длине образующей конической поверхности антенны. На Рис 2.8 приведены результаты расчета этого поля
а) б)
Рис 2.8 Распределение поля на раскрыве биконической антенны а) магнитная составляющая, б) тангенциальная составляющая электрического поля