Радиотехника и электроника, 2021, T. 66, № 7, стр. 649-653

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что рабочая полоса частот зеркальных и линзовых антенных систем определяется прежде всего облучателем. В связи с необходимостью реализации широкополосного и многодиапазонного режима работы антенных систем в различных приложениях разработке соответствующих облучателей посвящен ряд работ [1–7].

В статье [1] было проведено исследование характеристик излучения открытого конца круглого металлодиэлектрического волновода (экранированного диэлектрического волновода). Теоретическое исследование показало возможность реализации в полосе частот 9…13 ГГц осесимметричных диаграмм направленности (ДН) со стабильной шириной главного лепестка на двух поляризациях при низком уровне кросс-поляризации и боковых лепестков.

В работе [2] представлены результаты исследования рупора с диэлектрическим заполнением для спутниковой связи. Рупор может работать в двух диапазонах, в частности, в С- и К_u-диапазонах частот.

В работе [3] предложен облучатель для работы в декадной полосе частот. Экспериментальные исследования макета такого облучателя [4] показали, что коэффициент отражения в полосе частот 2…14 ГГц в ряде частотных точек превышает уровень –10 дБ. Амплитудная и фазовая ДН облучателя в работе [4] не приведены.

Различные варианты четырехгребневого нерегулярного рупорного облучателя исследованы в работах [5–7]. Моделирование и измерения экспериментальных образцов [5] показали стабилизацию ширины ДН в диапазоне 2…12 ГГц. Измеренные коэффициенты отражения меньше –10 дБ во всем указанном диапазоне и меньше –15 дБ в диапазоне частот 2.5…11 ГГц. Фазовые ДН в этих работах не исследовались.

Цель данной работы – исследование и оптимизация характеристик рупорного металлодиэлектрического облучателя с двухслойным диэлектрическим заполнением для реализации стабильной ширины главного лепестка и фазовой ДН в сверхширокой полосе частот.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РУПОРНОГО ОБЛУЧАТЕЛЯ

Рассмотрим трехслойный осесимметричный металлодиэлектрический рупор (рис. 1), где a и b‑радиусы апертуры первого и второго диэлектрического конуса соответственно, с-радиус апертуры металлического конуса, ε₁ и ε₂ – диэлектрические проницаемости первого и второго конусов. Рупор возбуждается заполненным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε₁ металлическим волноводом радиусом a1.

Рис. 1.

Металлодиэлектрический рупорный облучатель.

С использованием электродинамического моделирования методом конечных элементов (МКЭ) и методом конечных разностей во временной области (МКРВО) были исследованы частотные зависимости ширины главного лепестка ДН и коэффициента отражения от входа рупорного облучателя. В процессе моделирования проводилась оптимизация по всем параметрам для заданной длины рупора L = 250 мм с целью максимизации полосы частот, в которой уровень главного лепестка ДН на заданном угле находится в интервале –10…–15 дБ. В результате для угла отклонения от оси 28° были найдены оптимальные значения параметров a1 = 11 мм, a = 15.25 мм, b = 28 мм, с = = 60 мм, ε₁= 1.4, ε₂= 1.18.

Рассчитанная с использованием МКЭ и МКРВО частотная зависимость коэффициента отражения S₁₁ от входа рупора представлена на рис. 2. На рисунке видно, что коэффициент отражения в полосе частот 7.3…16.3 ГГц не превышает уровень ‒15 дБ.

Рис. 2.

Зависимость коэффициента отражения S₁₁ облучателя от частоты, рассчитанная с использованием МКЭ (1) и МКРВО (2).

Диаграммы направленности облучателя в Е- и в Н-плоскостях на пяти частотах, рассчитанные с использованием МКЭ и МКРВО, представлены на рис. 3. На рисунке видно, что ширина ДН на уровне –10 дБ почти не меняется при изменении частоты.

Рис. 3.

Диаграммы направленности облучателя в Е- (а, в) и Н-плоскостях (б, г), рассчитанные с использованием МКЭ (а, б) и МКРВО (в, г) на частотах 7 (1), 9 (2), 11.5 (3), 14 (4) и 16.3 ГГц (5).

На рис. 4 представлены частотные зависимости полуширины главного лепестка ДН излучателя по уровням –10 и –15 дБ, рассчитанные также с использованием МКЭ и МКРВО. Из рисунка видно, что для угла отклонения от оси 28° (штрих-пунктирная линия) уровень главного лепестка ДН в полосе частот 7…16.3 ГГц лежит в пределах –10…–15 дБ.

Рис. 4.

Частотные зависимости полуширины главного лепестка ДН излучателя в Е- (а) и Н-плоскостях (б), рассчитанные с использованием МКЭ (1, 2) и МКРВО (3, 4) по уровням 10 (1, 3) и 15 дБ (2, 4); штрих-пунктирной линией показан заданный угол (28°).

На рис. 5 показана зависимость положения фазового центра облучателя от частоты, рассчитанная с использованием МКЭ, а также его оптимальное положение (внутри излучателя на расстоянии 2 мм от апертуры).

Рис. 5.

Зависимость положения фазового центра (1) от частоты и его оптимальное положение (2).

На рис. 6 приведены фазовые ДН облучателя на пяти частотах, рассчитанные с использованием МКЭ для оптимального положения фазового центра. Как видно из рисунка, в Е- и в Н-плоскости фазовые искажения ДН в угле 56° не превышают 7°.

Рис. 6.

Фазовые диаграммы направленности в Е- (а) и Н-плоскости (б) на частотах 7 (1), 9 (2), 11.5 (3), 14 (4) и 16.3 ГГц (5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основание полученных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Предложенный и исследованный рупорный облучатель согласован со входом круглого волновода по уровню отражения ниже –15 дБ в полосе частот 7.3…16.3 ГГц.

2. Уровень для угла 28° диаграммы направленности рупорного облучателя в полосе частот 7–16.3 ГГц меняется в пределах –10…–15 дБ, при этом неравномерность фазовой диаграммы направленности – не более 7°.

Таким образом, рабочая полоса частот рупорного облучателя 7.3…16.3 ГГц (76%).