Широкополосные излучающие системы на основе круглого волновода

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и
задачи исследования, описаны научная новизна и практическая значимость
диссертационной работы, приведены сведения об апробации работы и положения,
выносимые на защиту.
В первой главе разработаны и исследованы широкополосные возбудители
основных скалярных мод круглого волновода. В начале главы дан обзор
известных возбудителей мод Е01 и Н01 круглого волновода.
В разделе 1.1 разработаны и исследованы широкополосные возбудители
моды Е01 с волноводным и коаксиальным входом. Возбудитель моды Е01 (рис.1) с
волноводным входом содержит Т-образный волноводный делитель на два канала,
два изгиба, которые переходят в Е-секториальные рупоры, которые, в свою
очередь, возбуждают круглый двухмодовый волновод через отверстия в его
стенке. В качестве согласующих элементов в Т-образном делителе установлены
два металлических цилиндра, а в круглом волноводе –усеченный металлический
конус.Врезультатеоптимизациипараметроввозбудителясвходным
прямоугольным сечением 23х10 мм и диаметром круглого волновода 28 мм с
использованием МКЭ в среде Ansys HFSS методом получены следующие
значения параметров: расстояния от согласующих цилиндров в делителе
мощности до плоскости сочленения волноводов равны 13.3 и 19.8 мм, их
диаметры равны 0.7 и 1.7 мм, соответственно, высота усеченного конуса равна 9
мм, диаметры вершины и основания равны 2.2 и 10.5 мм, соответственно.

Рис. 2. Частотные характеристики S11 (1, 2),
Рис. 1. Возбудитель моды Е01
S12 (3, 4), МКЭ (1, 3), МКРВО (2, 4)

Как показало моделирование возбудителя с использованием МКЭ и МКРВО
в полосе частот 8.45…9.8 ГГц (относительная полоса 15%) коэффициент
отражения не превышает уровень –20 дБ. При этом потери на возбуждение моды
Е01 не превышают 0.1 дБ (рис.2).
Разработаны два варианта возбудителя моды Е01 с коаксиальным входом.
Первый вариант возбудителя (рис.3а) содержит отрезок круглого волновода и
возбуждающий элемент в виде биконической антенны с внутренним конусом,
выполненным в виде набора коаксиальных цилиндров. Угол раствора внешнего
конуса и диаметры цилиндров оптимизированы с использованием МКЭ. В
результате моделирования с использованием МКЭ и МКРВО (рис.4) показано, что
в полосе частот 8.7…12.9 ГГц (относительная полоса 39%) коэффициент
отражения (S11) не превышает уровень –20 дБ, а потери на возбуждение моды Е01
не превышают 0.1 дБ (рис.3б).
а)б)
Рис. 3. Возбудитель моды Е01 с коаксиальным входом (а) и его частотные
характеристики (б): S11 (1, 2), S12 (3, 4), МКЭ (1, 3), МКРВО (2, 4)

Второй вариант возбудителя моды Е01 с коаксиальным входом состоит из
двух частей (рис.4а).

а)б)
Рис. 4. Возбудитель моды Е01 с коаксиальным входом (а) и его частотные
характеристики (б): S11 (1, 2), S12 (3, 4), рассчитанные с использованием МКЭ (1,3)
и МКРВО (2,4)

Первая часть возбудителя представляет собой биконическую линию. Вторая
часть – круглый металлодиэлектрический коаксиальный волновод, внутренний
проводниккоторого–металлическийцилиндрсступенчатымсрезом.
Диэлектрической слой на внешнем проводящем цилиндре представляет собой тор
из полипропилена (ε = 2.25) с образующей в виде сегмента круга радиуса.
Параметры возбудителя оптимизированы с использованием МКЭ. В результате
моделирования с использованием МКЭ и МКРВО показано, что в полосе частот
9.25…15.1 ГГц (относительная полоса 48%) коэффициент отражения не
превышает уровень –20 дБ, а потери на возбуждение моды Е01 не превышают 0.1
дБ (рис.4б).
Для расширения полосы частот возбудителя моды Е01 с волноводным
входом были разработаны два варианта коаксиально-волноводного перехода
(КВП), каждый из которых состоит из трех частей. Первая часть представляется
собой линейный переход из прямоугольного волновода размера 23х10 мм в П-
образный волновод. П-образный волновод также с использованием линейного
перехода преобразуется в прямоугольный коаксиальный волновод с продольной
перегородкой, которая обрывается и прямоугольный коаксиальный волновод
далее плавно переходит в коаксиальную линию с внешним диаметром 7 мм. На
расстоянии 4.9 мм от обрыва перегородки расположен согласующий штырь
диаметром 0.05 мм. Далее были исследованы возбудители моды Е01, содержащие
разработанные КВП в сочетании с предложенными и исследованными выше
возбудителями моды Е01 с коаксиальным входом. В результате моделирования с
использованием МКЭ и МКРВО показано, что для первого варианта КВП
сочетании с первым вариантом возбудителя с коаксиальным входом в полосе
частот 8.7…15.3 ГГц (относительная полоса частот 55%) коэффициент отражения
возбудителя не превышает уровень –20 дБ. При этом потери возбуждение моды
Е01 не превышают 0.1 дБ (рис. 5а). У второго варианта КВП в сочетании со
вторым вариантом возбудителя с коаксиальным входом в полосе частот 9.3…14.6
ГГц (относительная полоса 44%) коэффициент отражения не превышает уровень
–20 дБ, а потери на возбуждение моды Е01 не превышают 0.1 дБ (рис. 5б).
а)б)
Рис. 5. Зависимость коэффициентов отражения S11 (1, 2) и возбуждения S12
(3, 4) варианта 1 возбудителя (а) и варианта 2 возбудителя (б) моды Е01 от
частоты: МКЭ (1, 3), МКРВО (2, 4)

В разделе 1.2 разработаны и исследованы широкополосные возбудители
моды Н01 с волноводным и коаксиальным входом. Вначале исследован
возбудитель с волноводным входом, который состоит из трех частей (рис. 6а).

а)б)
Рис. 6. Конструкция возбудителя моды Н01 и его частотные характеристики (б):
S11 (1, 2), S12 (3, 4), рассчитанные с использованием МКЭ (1,3) и МКРВО (2,4)

Перваячастьвозбудителяпредставляетсобойплавныйпереход
одномодового прямоугольного волновода с входным сечением 7.2×3.4 мм,
верхняя половина которого постепенно сужается по двум координатам, при этом
нижняя часть плавно переходит в два волновода треугольного сечения и, затем,
секториального сечения радиусом r = 7.2 мм и с углом раствора β1 = 31.5°. На
входе прямоугольного волновода возбуждается мода Н10, на выходе первой части
формируется мода Н01 секторного волновода. Конструкция второй части
возбудителя состоит из четырех секторно-винтовых переходов того же радиуса r с
начальным значением угла раствора β1/2 и конечным – β2 = 45. Выход второй
части возбудителя представляет собой крест из четырех 45-градусных секторных
волноводов с возбуждённой в них модой Н01. Конструкция третьей части
возбудителя содержит четыре симметричных секторных разворота от угла β 2 = 45
до угла β3 = 90 с постоянной угловой скоростью, которые в конце образуют
круглый волновод. Все три части возбудителя оптимизированы и исследованы по
отдельности. Далее с использованием электродинамического моделирования
проведенанализвозбудителядлиной102мм,состоящегоизтрех
оптимизированных выше частей, выполненных из латуни. Как показало
моделирование с использованием МКЭ и МКРВО в полосе частот 27.3…46.95
ГГц (относительная полоса частот 53%), коэффициент отражения не превышает
уровень –15 дБ, а потери на возбуждение моды Н01 – менее 0.15 дБ (рис.6б).
Далее разработан и исследован возбудитель моды Н01 с коаксиальным
входом, который состоит из двух частей (рис.7).

а)б)
Рис. 7. Возбудитель моды Н01 с коаксиальным входом: а) первая часть; б)
вторая часть

Первая часть возбудителя (рис.7а) представляет собой четырехканальный
синфазный коаксиальный делитель, который возбуждает четыре несимметричных
вибратора, расположенных в четырех секторных волноводах с угловым размером
β1=45 каждый. Во второй части (рис.7б) угловой размер секторных волноводов
скачком меняется до β2 = 66.Открытые концы этих секторных волноводов
возбуждают круглый волновод.
Как показало моделирование с использованием МКЭ и МКРВО в полосе
частот 9…10.6 ГГц (относительная полоса частот 16%) коэффициент отражения
возбудителя не превышает уровень –20 дБ. При этом потери на возбуждение
моды Н01 не превышают 0.1 дБ (рис.8).

Рис. 8. Зависимость коэффициентов отражения S11 (1, 2) и возбуждения моды Н01
S12 (3, 4) от частоты: МКЭ (1, 3), МКРВО (2, 4)

Во второй главе исследованы широкополосные излучатели основных
скалярных мод круглого волновода (Е01 и Н01). В начале главы дан обзор
известных излучателей мод Е01 и Н01 круглого волновода.
В разделе 2.1 исследованы частотные характеристики излучателей
Пангониса и Пангониса–Власова. Излучатель Пангониса представляет собой
круглый волновод со ступенчатым срезом. С использованием МКЭ были
рассчитаны нормированные ДН излучателя Пангониса радиусом R = 14 мм и
длиной выступающей части излучателя 40 мм для моды Е01 в полосе частот
12…16 ГГц, а для моды Н01 в полосе 15…17 ГГц. В результате было показано, что
ДН имеет менискообразную форму поперечного сечения с шириной около 180
градусов в азимутальной плоскости. При этом ДН в угломестной плоскости
сканирует с частотой, а первый боковой лепесток ДН моды Н01 в этой плоскости
имеет высокий уровень (от –4 до –6 дБ). Поэтому далее излучатель Пангониса –
Власова исследовался только при возбуждении модой Е01. В излучателе
Пангониса – Власова для сужения ДН по азимуту используется металлическое
зеркало в виде параболического цилиндра с фокальной линией, совпадающей с
осью волновода. В результате оптимизации положения зеркала с целью
выравнивания ширины ДН в двух плоскостях в широкой полосе частот с
использованием МКЭ было найдено его оптимальное расстояние от оси, равное
20 мм при диаметре волновода 28 мм и длине выступающей части 40 мм. Далее с
использованиемМКЭисследованыамплитудныеифазовыеДН
оптимизированного излучателя Пангониса – Власова на четырех частотах.
Показано, что с изменением частоты в плоскости симметрии сканирует как
амплитудная, так и фазовая ДН излучателя. При этом кривизны фазовых ДН в Е и
Н плоскостях существенно отличаются, что означает наличие у этого излучателя
существенной величины астигматизма (разных положений фазового центра в
разных плоскостях).
В разделе 2.2 исследованы частотные характеристики круглых рупорных
излучателей с анизотропной пластиной.
Преобразовательполяризацииввиденеоднороднойанизотропной
диэлектрической пластины установлен перед апертурой излучателя с целью
формирования игольчатой ДН излучения из открытого конца круглого волновода
или рупора с рабочей модой Е01 или Н01 путем преобразования их полей в
апертуре с кольцевой (радиальной) поляризационной структурой в поля с
линейнойполяризациейводнойплоскости.Дляэтогоосьтензора
диэлектрической проницаемости в поперечном сечении пластины должна
образовать семейство конфокальных парабол с фокусом на оси волновода.
Наиболее просто реализовать неоднородную анизотропную пластину можно в
виде набора однородных анизотропных пластин с поперечным сечением в виде
углового сектора и осями тензора диэлектрической проницаемости касательными
к соответствующим параболам на линиях, проходящих через середины секторов.
Реализовать такую пластину можно из слоистого диэлектрика.
В разделе исследованы оба варианта конструкции пластины, толщина
которой выбиралась с использованием известных квазистатических формул для
компонентов тензора усредненной диэлектрической проницаемости, которые
апробированы в диссертации путем электродинамического моделирования. Для
согласованияпластиннаихповерхностисобеихсторонналожены
четвертьволновыеслоиизаналогичногоанизотропногодиэлектрикас
компонентами тензора усредненной диэлектрической проницаемости, равными
компонентам тензора усредненного коэффициента преломления пластины. Как
показано в результате численного моделирования с использованием МКЭ и
МКРВО, излучатель моды Е01 с пластиной из 8 секторов на некоторых частотах
обеспечивает более низкий уровень кросс-поляризации, чем точное решение. При
этом главный лепесток ДН рупора с модой Н01 и неоднородной пластиной
отклонен от оси рупора в Н-плоскости, а максимум коэффициента усиления (КУ)
на 2…3 дБ ниже, чем у рупора с пластиной из 8 секторов. Уровень кросс –
поляризации у рупора с неоднородной пластиной также выше, чем у рупора с
пластиной из 8 секторов. Фазовые аберрации ДН в области главного лепестка не
превышают 23°.

б) возбудитель моды Е01

а) рупор с пластинойв) анизотропная пластина
Рис. 9. Фотография экспериментального экземпляра рупора (а), возбудителя
моды Е01 (б) и неоднородной анизотропной пластины (в)
Для экспериментальной проверки результатов численного моделирования
разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец рупора с
анизотропной неоднородной пластиной (рис.9). В качестве прототипа возбудителя
был использован возбудитель моды Е01, предложенный и исследованный в
разделе1.1,параметрыкоторогобылиоптимизированы.Врезультате
оптимизации удалось расширить полосу согласования до 47% и существенно
уменьшить габариты возбудителя (рис.9в). Измеренные частотные зависимости
коэффициента отражения рупора с возбудителем моды Е01 и рупора с
возбудителем моды Е01 и неоднородной пластиной очень близки, что говорит о
достаточнохорошемсогласованиипластины.ИзмеренныеДН
экспериментального образца излучателя имеют одинаковые ширину главного
лепестка в Н в Е и Н плоскости, а боковые лепестки – на уровне –20 дБ.
В разделе 2.3 разработаны и исследованы два варианта синфазной антенной
решетки (АР). Первый вариант АР (рис.10а) с квадратной апертурой 30.4х30.4 мм
содержит четырехэтажный 16-канальный делитель мощности (ДМ) 1 с
равномерным синфазным делением мощности между волноводными выходами
сечением 7.2х3.4 мм и 16 рупоров в виде плавных волноводных переходов в Е
плоскости на сечение 7.2х7.2 мм, а вторая (рис.10б) (с квадратной апертурой
45.6х45.6 мм) содержит шестиэтажный 24-канальный ДМ2 с равномерным
синфазным делением мощности между волноводными выходами сечением 7.2х3.0
мм и 24 рупора в виде плавных волноводных переходов в Е плоскости на
прямоугольное сечение 7.2х11 мм. Входной круглый волновод радиусом r = 8.78
мм с рабочей модой Н01 разделен металлическими перегородками на одинаковые
секторные волноводы. Каждый канал ДМ имеет вход в виде секторного
волновода, переход от секторного волновода в одномодовый прямоугольный в
виде 90-градусного изгиба и несколько изгибов прямоугольного волновода в
плоскости, ортогональной оси круглого волновода для выравнивания фаз на
этаже. Для выравнивания фаз между этажами длины всех каналов ДМ выбраны
равными, также как и фазовые скорости в секторных и прямоугольных
волноводах. В первом варианте АР (АР1) возбуждающий круглый волновод
разделен на 16 секторов с углом раствора β1 = 22.5, а во втором (АР2) – на 24
сектора c углом раствора β2 = 15.

а)б)
Рис. 10. Конструкции волноводных решеток из 16 элементов (а) и 24
элементов (б)

Результатымоделированиячастотныхзависимостейкоэффициента
отражения от входа АР с использованием МКЭ и МКРВО показали, что
коэффициент отражения АР1 в полосе частот 25.6…45 ГГц (относительная полоса
частот 55%) и АР2 – в полосе частот 27…38 ГГц (относительная полоса частот
33.8%) не превышает уровень –15 дБ. При этом в полосе частот 25…38 ГГц КУ
АР1 достигает уровня 22 дБ, КУ АР2 – 26 дБ (рис.11а), а уровень КИП обеих
решеток более 0.85 (рис.11б).

а)б)
Рис. 11. Зависимости коэффициента усиления (а) и величины КИП (б) АР1 (1,2) и
АР2 (3,4) от частоты, рассчитанные с использованием МКЭ (1,3) и МКРВО (2,4)
Втретьейглаверазработаныиисследованыдваварианта
двухполяризационного СШП облучателя с рабочей модой НЕ11.В начале главы
дан обзор известных облучателей с рабочей модой НЕ11 круглого волновода.
Вразделах3.1,3.2разработаныиисследованытрехслойные
металлодиэлектрическиерупорныеоблучатели(рис.12),втомчисле-
четырехреберный (рис.13). Первые два конических слоя облучателей заполнены
y
y

R
c
cb
ba
ar0
a10zz

x
xL
L

Рис. 12. МеталлодиэлектрическийРис. 13. Четырехреберный
рупорный облучательметаллодиэлектрический облучатель

диэлектриком с диэлектрическими проницаемостями ε1 и ε2, и радиусами
апертуры a и b, соответственно, а третий – заполнен воздухом. Рупор с радиусом
апертурысвозбуждаетсяполностьюзаполненнымдиэлектрикомс
диэлектрической проницаемостью ε1 металлическим волноводом радиусом a1. С
использованием МКЭ и МКРВО исследованы частотные зависимости ширины
главного лепестка ДН и коэффициента отражения от входа рупорного облучателя.
В процессе моделирования проводилась оптимизация по всем параметрам рупора
длиной 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. Для
возбуждения двух ортогональных мод НЕ11 в металлодиэлектрическом рупоре
использованизвестныйвозбудительпологокруглоговолновода,
модифицированный в диссертации. В отличие от прототипа, центральные
проводники коаксиальных входов модифицированного возбудителя не имеют
скачковпоперечногосечения,наличиекоторыхусложняеттехнологию
изготовления. Кроме того, между ребрами, расположенными внутри волновода,
установлен нерегулярный диэлектрический конус, а к короткозамыкателю
примыкают две металлические ленты. С использованием МКЭ и МКРВО
исследованы частотные зависимости коэффициента отражения S11 от входа
рупора и возбудителя, а также коэффициентов возбуждения на основной (S13) и
ортогональнойполяризации(S14). В процессе моделированияпроведена
оптимизация по всем параметрам возбудителя.

а)б)
Рис. 14. Частотные зависимости полуширины главного лепестка ДН облучателя в
Е (а) и Н плоскостях (б) по уровню –10 (1, 3) и –15 дБ (2, 4), расcчитанные с
использованием МКЭ (1, 2) и МКРВО (3, 4), штрих-пунктир – заданный угол (28°)

Моделированиепоказало,чторупорныйметаллодиэлектрический
облучатель согласован с круглым заполненным диэлектриком волноводом по
уровню отражения –15 дБ в полосе частот 7.3…19 ГГц, а при подключении
возбудителя –в полосе частот 7.5…19 ГГц. Поляризационная развязка облучателя
по выходу равна –20 дБ, а по входу не превышает –35 дБ. Ширина главного
лепестка ДН в полосе частот 7…16.3 ГГц меняется в пределах –10…–15 дБ
(рис.14), при этом неравномерность фазовой ДН в главном лепестке – менее 7°.
В разделе 3.2 разработан и исследован трехслойный четырехреберный
металлодиэлектрический рупорный облучатель (рис. 13). С использованием МКЭ
и МКРВО исследованы частотные зависимости ширины главного лепестка ДН. В
процессемоделированияпроводиласьоптимизация повсем параметрам
облучателя длиной 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 25° были найдены оптимальные
значения параметров: r = 11 мм, R = 64 мм, a = 11.12 мм, b = 33.88 мм, с = 38.64
мм, ε1 = 1.4, ε2 = 1.15. Здесь a и b – радиусы апертуры первого и второго
диэлектрического конуса с диэлектрическими проницаемостями ε1 и ε2,
соответственно, 2с – расстояние между ребрами в апертуре рупора, а R – радиус
апертуры металлического рупора. Пространство между диэлектрическим конусом
и металлическим рупором, как и в предыдущем случае, заполнено воздухом.

а)б)
Рис. 15. Частотные зависимости полуширины главного лепестка ДН излучателя в
Е (а) и Н плоскостях (б) по уровню –10 (1, 3) и –15 дБ (2, 4), рассчитанные с
использованием МКЭ (1, 2) и МКРВО (3, 4), штрих-пунктир – заданный угол (25°)

С использованием численного моделирования показано, что разработанный
и исследованный рупорный облучатель с возбудителем согласован по уровню
отражения ниже –15 дБ в полосе частот 7.5…19 ГГц. Уровень спадания главного
лепестка ДН рупорного облучателя на углах ±25 в полосе частот 7.5…23.5 ГГц
(103%) меняется в пределах –10…–15 дБ. Аберрации фазовой ДН в пределах угла
±25 относительно в полосе частот 7.5…23.5 ГГц менее 10° (рис.15).
В Заключении проведены основные результаты диссертации:

1)Разработаны и исследованы новые широкополосные возбудители мод
Е01 и Н01 с волноводным входом. По уровню отражения –20 дБ полоса
согласования возбудителя моды Е01 более 55%, а возбудителя Н01– более 47%.
2)Разработаны и исследованы новые широкополосные возбудители мод
Е01 и Н01 с коаксиальным входом. По уровню отражения –20 дБ полоса
согласования возбудителя моды Е01 более 48%, а возбудителя Н01– более 16%.
3)Исследованы частотные характеристики излучателя Пангониса и
Пангониса – Власова. Показано, что диаграмма направленности излучателя
Пангониса с модой Н01 имеет высокий уровень первого бокового лепестка (около
5 дБ), а излучатель Пангониса – Власова обладает астигматизмом.
4)Исследованычастотныехарактеристикирупорногоизлучателя
скалярных мод круглого волновода с двумя вариантами анизотропной пластины.
Показано, что в полосе частот более 20% излучатель формирует игольчатую ДН,
при этом излучатель моды Е01 с разными вариантами пластины обеспечивает
близкие коэффициенты усиления, а уровень кросс-поляризации у излучателя с
пластиной из восьми однородных секторов ниже, чем с неоднородной пластиной,
излучатель моды Н01 с пластиной из восьми однородных секторов обеспечивает
уровень усиления выше, а кросс-поляризации – ниже, чем рупор с неоднородной
пластиной.
5)Разработаны и исследованы два варианта широкополосной антенной
решетки с системой питания на основе круглого волновода с рабочей модой Н01.
Показано, что полоса согласования решеток по уровню –15 дБ более 33%, а КИП
в указанной полосе – более 0.85.
6)Разработаны и исследованы два СШП излучателя в виде круглого
трехслойногометаллодиэлектрическогоичетырехреберного
металлодиэлектрического рупора с рабочей модой НЕ11. Показано, что
металлодиэлектрический излучатель может быть использован в качестве
облучателя в полосе частот 76%, а четырехреберный металлодиэлектрический
излучатель – в полосе частот 103%.
7)Разработанаконструкция,изготовлениисследован
экспериментальный образец круглого рупора с возбудителем моды Е01 и полосой
рабочих частот 28.5%, результаты измерения которого подтвердили результаты
электродинамического моделирования.