Излучающие структуры на основе резонаторов бегущей волны

В настоящей работе приведены основные сведения по излучающим структурам на резонаторах бегущей волны (РБВ), являющимися результатами разработок кольцевых облучателей, проводимых в течении ряда лет на кафедре радиофизики, применительно, в основном, к задачам радиоастрономии и радиосвязи.

В настоящее время проявляется большой интерес к системам связи, в которых используются широкополосные сигналы как минимум двух поляризаций, а также многочастотные системы. Так, например, развитие систем сотовой связи привело к тому, что в настоящее время широко используются диапазоны как 800−900МГц так и 1800−1900МГц [1, 2]. Многие производители систем мобильной связи выпускают приемники и передатчики базовых и носимых станций, работающие в этих двух диапазонах [3, 4]. Очевидно, что хотя бы в мобильном комплекте антенна приемного комплекса должна работать в этих двух диапазонах частот. Более того, мобильный комплект должен обладать малыми весом и габаритами. Из соображений компактности, стоимости и непредсказуемости окружения, антенны мобильных комплексов не целесообразно усложнять. Антенны же базовых станций могут и должны удовлетворять жестким требованиям.

Разработки подобных антенн [5, 6, 7, 8, 9] ведутся в направлении усовершенствования печатных антенн, расположенных на диэлектрической подложке с большой диэлектрической проницаемостью. Однако это приводит к неизбежному увеличению потерь и возрастанию уровня шумов приемника. Все это приводит к ухудшению качества связи.

Антенные комплексы базовых станций, в принципе, могут иметь как многочастотные, так и несколько одночастотных антенн. В настоящее время используются как одночастотные [11, 12], так и многочастотные [10] антенные решетки. Применение антенных решеток обусловлено, в основном, необходимостью увеличения коэффициента усиления за счет сужения диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Существуют также решения адаптивных систем связи, в которых применяются сканирующие антенные решетки [13, 14, 15].

Во всех случаях, в мобильных и базовых станциях, ввиду ограниченности объема первых и сложности конструкции вторых, применяются антенны линейной (как правило вертикальной) поляризации, что может привести к большим потерям, при которых связь становится невозможной [16, 19], в то время как использование антенн круговойполяризации обеспечивает устойчивую связь. Более того, учитывая характер распространения радиоволн в городских условиях [17, 18], в некоторых случаях, антенны базовых станций могут иметь эллиптическую поляризацию, со степенью эллиптичности (отношение малой к большой полуоси эллипса) порядка 0.5 — 0.9.

Антенны круговой поляризации в системах мобильной связи обеспечивают независимость ориентации (имеется ввиду поворот оси приемника относительно передатчика) респондента. Именно этой причиной объясняется применение антенн круговой поляризации в системах спутниковой связи [20, 21].

Очевидно, что в многочастотных системах, во избежание взаимного влияния одного диапазона на другой, требуется избежать их перекрытие [22]. Наличие нескольких диапазонов в системах спутниковой связи неизбежно влечет применение нескольких антенных комплексов различной конфигурации [23, 24]. Применение же нескольких антенных комплексов увеличивает стоимость аппаратуры в несколько раз.

Использование широкополосных антенн типа «Вивальди», волнового канала или логопериодических антенн не оправдано ввиду большого КСВ (>2) [25, 26, 27, 28, 29]. Улучшение согласования подобных антенн приводит к сужению их полосы пропускания, что недопустимо.

Особенно удобно применение широкополосных антенн в системах спутникового телевидения. Если возможно перекрыть несколько диапазонов от 4ГГц до 12ГГц (не обязательно непрерывно) одним антенным комплексом, то стоимость приемной аппаратуры уменьшается в несколько раз. Заметим, что мощности вещательных спутников составляют примерно 60Вт, высота орбиты порядка 40 000 км. Поэтому чувствительность приемной аппаратуры должна быть высокой. По этой причине вышеуказанные облучатели не целесообразно применять в качестве облучателей зеркальных антенн.

Другим классом задач, в которых необходимо использование широкополосных антенн, являются задачи радиоастрономии. Поляризованное излучение часто встречается в радиоастрономии. Как правило источники синхротронного излучения имеют линейную поляризацию, а излучение активных областей Солнца и космических гидроксильных мазеров кругополяризовано. Степень эллиптичности излученного поля показывает степень ионизации источника [30].

В рефлекторных антеннах радиотелескопов в качестве первичных облучателей используются рупорные антенны в сантиметровом диапазоне длин волн и дипольные или спиральные — в дециметровом. Поэтому, ввиду узкополосности подобной приемной системы, радиотелескоп работает в сравнительно узкой полосе частот (5 -10%) и многие задачи, требующие наблюдения источников в широком диапазоне сантиметровых-дециметровых волн приходится решать методом последовательных наблюдений со сменой облучателей и приемников.

Очевидно, что в радиоастрономических системах желательно применять широкополосные антенны и вести наблюдения источника сигнала одновременно по двум ортогональным поляризациям (левой и правой круговым или двум ортогональным линейным). Также необходимо обеспечить малый уровень потерь. Так, антенны космического и наземного базирования (например проекта РАДИОАСТРОН [31]) должны обеспечивать уровень КСВ лучше 1.2, иметь высокий уровень поляризационной развязки, обеспечивать малые потери (не более 1%) и быть не подвержены космической радиации. Очевидно, что печатные антенны не подходят по нескольким причинаммногие диэлектрики разрушаются в космосе, не выдерживают низких температур и т. д.

Для обеспечения максимальной чувствительности, радиоастрономические приемные комплексы используют зеркальные антенны. Поэтому, важнейшим требованием широкополосной (многодиапазонной) приемной системы является совмещение фазовых центров нескольких диапазонов или его стабилизация в широкополосном облучателе. Широкополосные антенны (логопериодические, спиральные, Вивальди) могут не иметь стабильного, а некоторые и вообще фазового центра как такового. В результате КИП зеркальной антенны падает.

В значительной степени от вышеуказанных недостатков свободны излучающие структуры на основе резонатора бегущей волны (РБВ), идея которого предложена в [32]. Основными особенностями облучателей на РБВ являются: обеспечение возможности одновременного приема (передачи) излучения на нескольких длинах волн путем совмещения фазовых центров нескольких облучателей, наличие принципиальной возможности перекрытия широкого диапазона длин волн (до нескольких октав), широкая полоса частот одного частотного канала при малом уровне потерь, высокое качество поляризации в широкой полосе частот, низкие шумовые температуры.

На протяжении многих лет конструкция этих облучателей существовала как результат эксперементальных исследований, не имея четко сформулированного теоретического обоснования.

Основой излучателя на резонаторе бегущей волны является свернутая в кольцо линия, питаемая направленным ответвителем (НО). Линия выполняется излучающей, причем потерями в линии являются потери на излучение. Поляризация излученного поля является эллиптической, близкой к круговой, причем правой, при питании, НО с одного входа и левой — при питании с другого. Такая конструкция имеет малый размер — диаметр излучающего кольца близок к? (А — длина волны). При необходимости реализации многоволновой системы, кольца различных частотных каналов (каждое со своим НО) вставляются друг в друга.

Теоретические исследования кольцевых излучательных структур различными авторами опубликованы в ряде работ [43, 44, 45]. В них рассматривается антенна, питаемая ЭДС, включенная в разрыв рамки. В результате, излученное поле имеет линейную поляризацию. Система питания, предложенная в [32], в значительной степени отличается от предлагаеых в работах выше — питание излучающего элемента осуществляется либо направленным ответвителем, либо несколькими генераторами тока, подключенными к рамке. В результате поляризация излученного поля может быть как круговой (при питании, НО с одного входа) или линейной, при питании, НО одновременно с двух входов.

Как показано ниже, подобный излучатель обеспечивает достаточную для многих задач широкополосность (от 1% до 20% при уровне потерь менее 0.1 дБ), а также обеспечивает совмещение фазового центра многоволнового облучателя.

Настоящая работа основана на представлении резонатора бегущей волны [33] как излучательного элемента структуры. В ранних работах [32, 59] по излучательным структурам на РБВ система питания излучательного элемента не рассматривалась ввиду отсутствия четко сформировавшейся теоретической модели последней. В более поздних работах [60] была разработана наиболее приемлемая конструкция для большинства применений и произведены более детальные экспериментальные исследования излучателей на РБВ. В настоящей работе приведено теоретическое обоснование полученных экспериментальных результатов, систематизирована математическая модель системы питания излучающего элемента и описан общий метод моделирования излучательных структур на РБВ.

Цель работы.

Целью работы является комплексное исследование характеристик излучатющих структур на РБВ — поля излучения и методы изменения характеристик поля излучения, а также системы возбуждения излучателя для обеспечения тех или иных электрофизических характеристик (широкополосности, поляризации излученного поля, согласование с приемными устройствами и др.). Заметим, что при исследовании структур на РБВ не ставится задача сравнения теоретических данных и экспериментальных измерений структуры, изготовленной по результатам первых, а лишь нахождение приемлемой теоретической модели, позволяющей с минимальными затратами изготовить облучатель на РБВ, удовлетворяющий заданным требованиям или лучше.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

4.4 Выводы.

Несмотря на то, что подробно рассмотрены всего две реальные конструкции облучателей на РБВ, описанные выше подход и зависимости справедливы для любого типа антенны на РБВ. Так, другие проекты связанные с применение излучательных структур на РБВ (например, многоволновый облучатель для китайской солнечной обсерватории, облучатель для иркутского радиотелескопа) подтверждают справедливость следующего:

• Расчетные и экспериментальные характеристики антенны на РБВ по КПД совпадают в пределах точности эксперимента.

• Варьировать АЧХ облучателя на РБВ можно в пределах 5−10 процентов путем перемещения поддерживающих диэлектриков.

• При этом иногда экспериментально удается достичь лучших параметров, нежели расчетные (скорее всего за счет применения вертикальных компенсирующих вибраторов).

• Диаграммой направленности можно варьировать в значительных пределах методом изменения геометрии экрана.

• При этом приходится компенсировать дифракционные эффекты, обусловленные конечностью экрана, набором четвертьволновых вибраторов, установленных по радиусу.

• Они, в свою очередь, помимо компенсации токов подставки стабилизируют ДН и развязывают соседние диапазоны многоволнового облучателя.

• Фазовый центр не смещается и находится в вершине воображаемого конуса антенны на РБВ.

Таким образом, создан многоволновый облучатель с несколькими независимыми каналами и совмещенным фазовым центром.

Заключение

.

Целю настоящей работы являлось комплексное исследование характеристик излучательных структур на РБВ — поля излучения и методы его изменения, а также системы возбуждения излучателя для обеспечения тех или иных электрофизических характеристик (широкополосности, поляризации излученного поля, согласование с приемными устройствами и др.).

Показано, что излучательные структуры на РБВ могут быть синтезированы методом последовательных приближений, каждый из которых включает в себя оценку излучательных характеристик структуры в целом, расчет многосвязанного моста — системы возбуждения излучающего элемента и оптимизацию характеристик методом варьирования геометрии экрана и излучающего элемента.

Установлено, что поле излучения структуры на РБВ, при возбуждении бегущей волны тока. в кольце, а также при длине окружности кольца равной примерно длине волны, является эллиптически поляризованным и кругополяризованном в направлении нормали к кольцу.

Произведены исследования поля излучения кольцевой структуры и показано, что если кольцо расположено над проводящим экраном, то излучающая структура на РБВ обладает направленным действиемКНД в направлении главного максимума при малых высотах кольца над экраном составляет примерно 9. При этом ширина диаграммы направленности облучателя по уровню — ЮдБ составляет примерно 110°— 130°. Регулировать КНД в незначительной степени возможно путем изменения формы экрана.

Решен вопрос о совмещении фазового центра многоволнового облучателя на РБВ. Фазовый центр многоволновой излучающей структуры на РБВ остается в начале координат и не зависит ни от высоты подвеса кольца над экраном, ни от угла «конуса» экрана.

Произведено теоретическое изучение распределения тока в излучающем кольце и его зависимости от высоты подвеса кольца над экраном. Показано, что распределение тока вдоль кольца представляет собой экспоненциально затухающую волну. При этом амплитуда тока в кольце (и, следовательно, добротность системы) тем больше, чем ниже кольцо находится над проводящим экраном. Питающая система, состоящая из индуктивных шлейфов, подключенных к кольцу, вносит свой вклад в поле излучения антенны, но ее влияние сказывается только вблизи горизонтального направления и вообще мало сказывается на поляризационных характеристиках в диапазоне рабочих углов. Установлено, что в основном на кросс-поляризационные характеристики влияет наличие конечного экрана и (или) наличие более длинноволнового совмещенного облучателя.

Задача синтеза возбуждающей системы решена методом анализа-последовательных приближений. Показано, что мост на РБВ может быть проанализирован различными методами.

Наилучших характеристик моста на РБВ (в смысле широкополосности по заданному уровню режекции) удается достичь при четвертьволновой связи с расположением элементов связи один под другим. При требовании уровня режекции не хужеЮдБ, КСВ не хуже 1.2 и коэффициенте эллиптичности более 0.9, полоса пропускания может быть порядка 20% и больше. А это означает, что при использовании облучателя на РБВ в составе многоволнового облучателя с совмещенным фазовым центром с расстоянием между соседними частотными каналами 1.5 возможно почти непрерывное перекрытие всего частотного диапазона. Расчетные и экспериментальные характеристики антенны на РБВ по КПД совпадают в пределах точности эксперимента. Варьировать АЧХ облучателя на РБВ можно в пределах 5 —10 процентов путем перемещения поддерживающих диэлектриков.

Проведены экспериментальные исследования излучательных структур на РБВ различной конфигурации. Исследованы характеристики «на проход» и излучательные характеристики излучателей на РБВ. В целом установлено, что теоретическая модель с хорошей степенью точности описывает излучательные структуры на РБВ и совпадает с экспериментальными результатами.