Излучение мощных сверхширокополосных импульсов решетками комбинированных антенн

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации,
сформулирована цель работы и задачи исследования, сформулированы
защищаемые положения, указана научная новизна, теоретическая и
практическая значимость работы.
Перваяглаваноситобзорно-аналитическийхарактер.
Рассматриваются известные источники мощных СШП-импульсов на основе
зеркальных антенн, в том числе Impulse Radiating Antenna, TEM-рупоров и
комбинированных антенн. Проводится обзор публикаций по синтезу
излучения путем сложения электромагнитных импульсов в свободном
пространстве. В конце главы на основе проведенного анализа формулируются
задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются комбинированные антенны и
источники с одиночной антенной. Изложены теоретические предпосылки
улучшения согласования и расширения полосы пропускания в область низких
и высоких частот комбинированных антенн. Показано, что по соотношению
геометрических размеров к ширине полосы пропускания и величине обратной
мощности комбинированная антенна с ТЕМ-рупором является оптимальным
выбором для элемента СШП-решеток. Рассмотрены методы и устройства для
измерения характеристик СШП-антенн и импульсов излучения.
Важнейшими характеристиками СШП-антенн и источников излучения
на их основе являются:
эффективный потенциал излучения, определяемый как rEp, где r –
расстояние от антенны до точки наблюдения в дальней зоне, Ep –
максимальная напряженность поля в точке наблюдения;
энергетическая эффективность антенны, определяемая как
kw = Wrad/Wg,(1)
где Wrad – излученная антенной энергия, Wg – энергия в импульсе напряжения
на входе антенны;
эффективность по пиковой напряженности электрического поля,
определяемая как
kE = rEp/Ug,(2)
где Ug – пиковое значение модуля амплитуды напряжения генератора.
На рисунке 1 схематически представлена геометрия комбинированной
антенны КА. Ширина и высота антенны равны и h  L, где L продольный
размер антенны. Верхняя часть ТЕМ-рупора соединяется гальванически с
корпусом антенны и является магнитным диполем. Нижняя часть ТЕМ-рупора
также соединяется с корпусом антенны. Периметр S активного магнитного
диполя 3 изменялся перемещением пластины 5. Максимальный периметр
диполя S = S0, имеет место при отсутствии пластины 5. В центре задней стенки
антенны имеется отверстие для присоединения фидера с волновым
сопротивлением 50 Ом.

Рисунок 1 – Геометрия КА. 1 – корпус, 2 – TEM-рупор, 3 – активный магнитный диполь, 4
– пассивные магнитные диполи, 5 – пластина

На основе представленной выше конструкции КА с использованием
принципа электродинамического подобия была разработана линейка
комбинированных антенн, оптимизированных для возбуждения биполярными
импульсами напряжения длительностью 3, 2, 1, 0.5 и 0.2 нс (Рисунок 2).
а)б)в)
Рисунок 2 – Внешний вид антенн КА3 – (а), КА1-2 – (б) и КА0.2 – (в)

Характеристики разработанных КА приведены в таблице 1, здесь fL –
нижняя, а fH – верхняя граничные частоты спектра излучения по уровню –
10 дБ, Δf=fH-fL – ширина спектра, f0=(fH+fL)/2 – средняя частота спектра
излучения, Δf/f0 – относительная ширина спектра. Параметры мощных
источников СШП-излучения на их основе приведены в таблице 2.
Таблица 1 Параметры КА
Габариты, Длительность КСВНΔf/f0fH/fL,ШиринаkWkE
смимпульсапоДН E/H-
возбуждения, уровнюплоскости,
нс2, fL/fH,градусы
ГГц
КА345×45×47 30.11/1.111.641074/730.932
KA230×30×32 20.18/1.11.446.1179/870.91.9
KA1-115×15×16 10.54/1.851.13.43101/980.871.2
KA1-215×15×16 10.63/2.021.053.21103/920.921.25
KA1-315×15×16 10.64/2.041.043.19104/881.3
KA0.57.5×7.5×8 0.50.94/4.231.274.5106/830.91.2
KA0.24×4×4.30.21.4/9.761.56.9798/920.920.9
КА1-15×15×17 0.50.41/1.951.34.76—
0.5-111.3
КА1-15×15×16 0.50.36/4.631.7112.8670/840.94-
0.5-21108/980.91.17
Таблица 2 Параметры мощных источников СШП-излучения с КА
КА0.2КА0.5КА1КА2КА3
Длительность импульса напряжения, нс0.20.5123
Амплитуда импульса напряжения, кВ100200200230150
Эффективный потенциал rEp, кВ100260300400280
kE11.31.51.741.86
В третьей главе численно исследовано влияние амплитудного
распределения по апертуре решетки на уровень бокового излучения. Показано
(Рисунок 3), что при возбуждении решетки КА биполярным импульсом
напряжения с точки зрения получения максимального эффективного
потенциалаизлученияоптимальнымявляетсяиспользование
равноамплитудного распределения. Проведены исследований по оптимизации
структуры решеток. Показано, что, учитывая требование минимизации
размеров, для решеток КА оптимальным является гальваническое соединение
элементов в E-плоскости (dv = h) и их разнесение на расстояние 0.1τpс
(dh ≈ 1.2h) в H-плоскости.
-10
F ()/F ()max, дБ

-20
2
-30
-40
-90-60-3003060, град
Рисунок 3 – Расчетные ДН 8-ми элементной линейной решетки возбуждаемой
биполярным импульсом с равноамплитудным распределением – 1, распределениями
косинус на пьедестале – 2, косинус в квадрате на пьедестале – 3 и Дольфа-Чебышева – 4

Представлены характеристики решеток КА и источников мощного
СШП-излучения (Рисунок 4) на их основе (Таблица 3).

Рисунок 4 – Внешний вид источника СШП-излучения с 64-элементной решеткой

Рассмотрены особенности антенно-фидерных систем для источников
мощного СШП-излучения. Для делителей с числом выходов 16 и менее
оптимальным оказалось использование кордельных коаксиальных кабелей,
заполненных газом SF6 под давлением 5 атм. Причем, трансформатор
сопротивлений и делитель мощности в этом случае, тоже были с газовой
изоляцией. Этот вариант давал минимальные потери мощности при
достаточной электрической прочности и обеспечивал длительное время
работы (более 2×106 импульсов) при уровне пиковой мощности биполярных
импульсов до 1 ГВт на частоте повторения 100 Гц. Для источника с 64-
элементной решеткой была использована конструкция со ступенчатым
делителем мощности (Рисунок 5). Сопротивление волновых трансформаторов
рассчитывалось с помощью выражения для компенсированного
экспоненциального перехода:
 LL−x L − x  
 ( x) =  0 exp ln− 0.133 sin  2  ,(3)
 0 LL  
где L – длина перехода, ρ0 и ρL начальное и конечное сопротивление перехода.

Рисунок 5 – 64-канальный делитель мощности

Благодаря широкой кардиоидной диаграмме направленности (ДН) КА,
решетки на их основе обеспечивают сканирование волновым пучком СШП-
излучения в пределах ±45-55°. Режим сканирования реализовывался подбором
длин кабелей, возбуждающих элементы решетки, таким образом, чтобы они
обеспечивали нужную временную задержку импульса. Расчет задержек
осуществлялся путем решения задачи одновременного прихода излученных
импульсов в заданную точку наблюдения.
Относительные эффективные потенциалы мощных источников СШП-
излучения на основе решеток КА и одиночных широкоапертурных
отражательных антенн типа IRA и HIRA сопоставимы (Таблица 3). Однако,
отношение эффективного потенциала излучения к площади апертуры
kS = rEp / S при одинаковой длительности импульса СШП-излучения
τp ~ 100 пс у решеток КА на 1–2 порядка выше, чем у IRA и HIRA. Это
обусловлено равномерным распределением поля на апертуре решетки и
использованием биполярных импульсов напряжения для возбуждения
элементов решетки.
Предельный эффективный потенциал излучения можно оценить,
используя следующее выражение:
( )
√ 0
( , 0,0,0) =√∫ [ ∑ (2 + 1)] ,
2√2 =1
Ω

где rEθ – произведение напряженности электрического поля Eθ на расстоянии
r в дальней зоне; Z0 – волновое сопротивление окружающей антенну среды; W
– полная излученная энергия. Интегрирование проводится по положительным
и по отрицательным частотам Ω; N = [ω0a/c+2π] – число учитываемых мод, a
– радиус минимальной сферы, в которую помещается антенна или решетка, c
– скорость света.
Для сравнительного анализа была выполнена оценка rEθ = rE2π для
различных излучателей и получены значения коэффициента эффективности
как отношения экспериментально измеренного потенциала излучения к
предельному rEexp/rEθ. В таблице 3 приведены исходные данные и результаты
расчетов: τp – длительность биполярного импульса напряжения, W – полная
излученная энергия (для IRA и HIRA в скобках указана запасенная энергия).
В расчетах полагали, что энергетическая эффективность излучения
биполярных импульсов антеннами равна 100%.
Из полученных результатов для решеток КА следует, что относительная
эффективность возрастает с увеличением числа элементов. Для 9-элементной
решетки КА, возбуждаемых от генератора биполярных импульсов
длительностью 2 нс, получено максимальное значение rEexp/rEθ = 0.58. Это
обусловлено уменьшением потерь энергии в фидерной системе при
использовании газовой (SF6) изоляции. В таблице 3 приведены также оценки
эффективности по пиковой напряженности поля kE = rEp / Ug max и по площади
kS = rEp / S. Здесь эффективность по полю kE = 21.5 максимальна для решетки
КА 8×8, а эффективность по площади kS = 1.6∙107 кВ/м2 максимальна для
решетки КА 4×4, возбуждаемой биполярным импульсом длительностью
0.2 нс.
Таблица 3 Параметры антенн и решеток
2×24×43×34×48×84×44×4
КАIRAHIRA TEM
KAKAKAKAKAKAKA
τp, нс2–1322110.50.2
W, Дж1.170.015(2) 1.1(26) 0.175 0.941.180.80.361.20.1690.037
fL, МГц100505050539660207210436413
fH, МГц934290021002110 5709427701589210033948078
f0, МГц517147510751080 311.5519415898115519154245
Δf/f0, %161193191191166163171154164154180
a, м0.2661.831.5250.716 0.6920.9280.6960.49410.2470.119
rEexp/rEθ0.260.50.450.350.3830.560.5820.3850.50.3310.268
Ug max, кВ230130100015090230100210200200120
rEp, кВ44012805300910530170010007804300700450
kE1.99.85.36.15.97.4103.721.53.5(3.1) 3.75
kS=rEp/S, кВ/м24.9E61.2e51.45E6 5.4E6 6.2E51.0E61.1E61.6E62.2E6 5.9E61.6E7
В четвертой главе представлена численная модель сложения
импульсов излучения с различной шириной спектра в свободном
пространстве. Рассмотрено увеличение ширины спектра синтезированного
импульса на примере импульсов, излучаемых КА, возбуждаемыми
биполярными импульсами напряжения длительностью 0.5, 1, 2 и 3 нс. Для
моделирования импульса, излученного КА, использовали производную суммы
двух гауссовых функций:
4 24 2
1−( −4)1−( −2)
( , ) = ( − 1) − ( − 0.5) ,(4)

где τ – длительность импульса напряжения на входе в антенну.
Синтезированные импульсы оптимизировались по двум параметрам:
максимальной амплитуде поля и максимальной ширине спектра.
Рассматривались варианты сложения двух импульсов 2 и 3 нс, трех импульсов
– 1, 2 и 3 нс и четырех импульсов – 0.5, 1, 2 и 3 нс. Параметры
синтезированных импульсов приведены в таблице 4.
Таблица 4 Расчетные параметры импульсов излучения
импульс СШП-излученияfL (ГГц)fH (ГГц)f0 (ГГц)Δf (ГГц)Δf/f0b = fH/fL
0.5 нс0.6643.0741.8692.4101.294.632
1 нс0.3321.5370.9341.2051.294.632
2 нс0.16580.76860.46720.60281.2904.636
3 нс0.11040.51250.31150.40211.2914.643
2+3 нс, по максимуму амплитуды0.12090.62320.37210.50231.355.153
2+3 нс, по максимальной ширине0.08350.720.40170.63641.5848.618
спектра
1+2+3 нс, по максимуму0.1230.7250.4240.6021.4185.876
амплитуды
1+2+3, по максимальной ширине0.0791.3460.7131.2671.77817.05
спектра
0.5+1+2 +3 нс, по максимуму0.1240.7660.4450.6121.376.18
амплитуды
0.5+1+2+3 нс, по максимальной0.0811.780.931.71.8322
ширине спектра

Для примера на рисунке 6 приведены результаты сложения импульсов
0.5, 1, 2 и 3 нс с задержками, оптимизированными для максимальной ширины
спектра. По сравнению с одиночным импульсом отношение верхней и нижней
граничных частот суммарного импульса увеличилось в 4.7 раза.
1.5100
a)б)
1.05
0.5
S(f), отн.ед.

0.0
E, отн.ед.
-0.540
fH
-1.0
320fL
-1.5

-2.00
024t, нс0123f, ГГц
Рисунок 6 – Сложение импульсов с задержками, найденными методом перебора с шагом
0.05 нс и равными 4.45 нс (0.5 нс), 4.1 нс (1 нс) и -2.25 нс (2 нс) относительно импульса
длительностью 3 нс. а) импульсы излучения от отдельных антенн (кривые 1–4) и
суммарный импульс (кривая 5); б) спектр суммарного импульса излучения (fH/fL = 22)

Моделирование ДН при возбуждении решеток двумя импульсами
длительностью 1 и 2 нс и четырьмя импульсами длительностью 0.5, 1, 2, и 3 нс
показало, что для плоской решетки, возбуждаемой биполярными импульсами
разной длительности, симметричная ДН может быть сформирована, когда
элементы решетки, излучающие импульсы одной длительности, расположены
симметрично относительно центра решетки.
Были проведены экспериментальные исследования характеристик
синтезированныхэлектромагнитныхимпульсов привозбуждении
четырехэлементной решетки комбинированных антенн низковольтными и
высоковольтными биполярными импульсами длительностью 3, 2, 1 и 0.5 нс.
Параметры маломощных импульсов излучения приведены в таблице 5. Для
синтезированного импульса с задержкой, оптимизированной для получения
максимальной ширины спектра, ширина спектра Δf увеличилась в 1.3–2 раза,
а по отношению крайних частот b от 1.6 до 4 раз.
Таблица 5 Параметры маломощных импульсов излучения
импульс СШП-излученияfL, ГГцfH, ГГцf0, ГГцΔf, ГГцΔf/f0b = fH/fL
0.5+1 нс, макс. ампл.0.3672.2061.2861.8391.4296.008
0.5+1 нс, макс. спектр0.2662.8451.5562.5781.65710.676
2+3 нс, макс. ампл.0.1471.0320.58950.8851.57.02
2+3 нс, макс. спектр0.10851.33850.72351.231.712.34
0.5+1+2+3 нс, макс. ампл.0.1191.180.651.061.639.91
0.5+1+2+3 нс, макс. спектр0.0742.341.1332.266231.6

В таблице 6 приведены параметры мощных синтезированных импульсов
СШП-излучения. Ширина спектра синтезированного импульса по отношению
крайних частот увеличена в 2.1–2.6 раза по сравнению с СШП-источниками
на основе решеток, возбуждаемых одинаковыми биполярными импульсами.
Таблица 6 Параметры мощных импульсов излучения
импульс СШП-излученияfL, ГГцfH, ГГцf0, ГГцΔf, ГГцΔf/f0b = fH/fL
0.5+1 нс, макс. ампл.0.3942.1271.2611.7331.3755.4
0.5+1 нс, макс. спектр0.1962.5911.3942.3951.71813.208
2+3 нс, макс. ампл.0.180.7680.4740.5881.244.27
2+3 нс, макс. спектр0.1011.0470.5740.9461.64810.37
0.5+1+2+3 нс, макс. ампл.0.1020.9070.50.8051.68.9
0.5+1+2+3 нс, макс. спектр0.0861.450.761.361.7816.9

В заключении сформулированы основные научно-технические
результаты и выводы диссертационной работы.
В приложении приводятся данные об использовании результатов работы
автора при выполнении международных контрактов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Использование в конструкции антенн комбинации ТЕМ-рупора и
магнитного излучателя позволило расширить их полосу согласования как в
область высоких, так и в область низких частот. По соотношению
геометрических размеров к ширине полосы пропускания и величине обратной
мощности КА является оптимальным выбором в качестве элемента СШП-
решеток. Полоса пропускания, достаточная для эффективного (~90 %)
излучения энергии биполярных импульсов, обеспечивается при размерах
антенн, примерно равных половине пространственной длины возбуждающего
импульса напряжения. На основе принципа электродинамического подобия
разработанная конструкция КА масштабировалась для разных длительностей
биполярных импульсов.
2. С использованием КА созданы источники мощного СШП-излучения
с длительностями биполярных импульсов напряжения от 0.2 нс до 3 нс. В
источнике с антенной КА2, возбуждаемой биполярными импульсами
напряжения длительностью 2 нс и амплитудой 230 кВ, получены импульсы
СШП-излучения с эффективным потенциалом rEp  400 кВ.
3. Максимальный эффективный потенциал при возбуждении решетки
КА биполярным импульсом напряжения достигается при использовании
равноамплитудного распределения. Для подвода импульсов напряжения к
элементам решетки оптимальным с точки зрения уменьшения потерь
мощности при достаточной электрической прочности является использование
кордельных кабелей, заполненных газом SF6 под давлением 5 атм.
4. На основе решеток КА создана линейка источников мощного СШП-
излучения с длительностями биполярных импульсов напряжения от 0.2 нс до
3 нс. На источнике с 64-элементной решеткой КА, возбуждаемой
биполярными импульсами напряжения длительностью 1 нс и амплитудой
200 кВ, получены импульсы СШП-излучения с эффективным потенциалам
rEp  4.3 МВ.
5. Разработаны и исследованы антенные решетки для последовательного
излучения импульсов с ортогональными поляризациями и эффективным
потенциалом 300 кВ. Для совпадения ДН ортогональных подрешеток их
элементы располагаются по диагоналям.
6. Благодаря широкой кардиоидной ДН КА решетки на их основе
обеспечивают сканирование волновым пучком СШП-излучения в пределах
±45-55°.
7. Построена численная модель синтеза импульсов излучения с
помощью сложения в свободном пространстве импульсов с различной
шириной спектра. По результатам расчетов выбраны оптимальные
конфигурации плоской четырехэлементной решетки, возбуждаемой
различными комбинациями биполярных импульсов длительностью 0.5, 1, 2 и
3 нс. Показана возможность увеличения отношения крайних частот в спектре
импульса синтезированного излучения до 22.
8. В экспериментальных исследованиях синтеза излучения малой
мощности для решетки, возбуждаемой биполярными импульсами
длительностью 0.5, 1, 2 и 3 нс, получены импульсы излучения с отношением
крайних частот до 10 в режиме максимальной амплитуды поля. В режиме
максимальной ширины спектра — это отношение достигает 32. Различие
между расчетными и экспериментальными значениями ширины спектра
обусловлено отличием формы экспериментальных импульсов излучения от
модельных.
9. Экспериментально исследован синтез мощных импульсов излучения
на основе решетки 2×2 КА, возбуждаемых различными комбинациями
биполярных импульсов напряжения длительностью 0.5, 1, 2 и 3 нс.
Реализовано два режима синтеза излучения: максимальная напряженность
поля (эффективный потенциал излучения 600 кВ при отношении крайних
частот 5.4 для импульса 0.5 + 1 нс) и максимальная ширина спектра
(эффективный потенциал излучения 185 кВ при отношении крайних частот
16.9 для импульса 0.5 + 1 + 2 + 3 нс).
Разработанныеисточникимощного СШП-излучениямогут
использоваться в исследованиях по устойчивости электронных систем.
Развитый метод синтеза СШП-импульсов является перспективным для
управления спектральными характеристиками в адаптивной радиолокации.