Надширокосмугова рупорна антена тем-хвилі

Надширокосмугова рупорна антена ТЕМхвилі, яка містить дві провідні поверхні, що утворюють рупор, яка відрізняється тим, що поверхні виконані експоненціальними в YOZ та XOZ площинах декартової системи координат. Ю (13) 40962 (11) UA В [2] запропонована конструкція ТЕМ-рупора для підземного зондування з прямолінійним (V-образним) поперечним і криволінійним повздовжнім перерізами. Як і запропонований винахід, відомий аналог містить дві поверхні, які створюють рупор. Причиною, яка перешкоджує отриманню технічного результату, є та, що радіус кривизни, по-перше, змінює свій знак, по-друге, радіус кривизни зіставимий з просто ровою довжиною імпульсу. Це приводить до того, що кривизну поверхні можна вважати локальною неоднорідністю лінії передачі, що приводить до істотного додаткового випромінювання електромагнітного поля на цій неоднорідності, тобто до появи парціальних імпульсів значної амплітуди. Відома також конструкція, що представляє дві провідні площини, що утворюють рупор. Кожна площина виконана з повздовжніх провідників («пальців») діаметром 1 мм [3]. Як і запропонований винахід, ві домий аналог містить дві провідні площини, що утворюють рупор. Причиною, що перешкоджує одержанню технічного результату, є незадовільна інтенсивність випромінювання та обмеженість використання такої конструкції в реальних умовах. Прототипом обрана конструкція ТЕМ-р упору [4], що представляє собою дві розбіжні трикутні пластини. Відношення ширини пластин до відстані між ними вибрано постійним для поточних перерізів, орто гональних до повздовжньої осі антени, і рівним подвоєному відношенню діаметра провідників до відстані між ними для двухпровідної лінії плавного симетруючого переходу. У даній конструкції уз годження антени з фідером забезпечується за рахунок висоти зрізу зовнішнього циліндричного провідника коаксіальної лінії, з'єднаної з двохп ровідною лінією передачі. Як і заявляємий (19) Винахід відноситься до антен, більш конкретно до надширокосмужних (НШС) рупорних антен, призначених для випромінювання ТЕМ- ХВИЛЬ з великими електричними розмірами (L>>сti, L геометрична довжина антени, сti - просто рова тривалість імпульсу) і може бути використаний для вирішення задач розпізнавання та ідентифікації радіолокаційних об'єктів, що знаходяться на значному віддаленні від РЛС. Відомий ряд конструкцій ТЕМ-р упорів для підповерхневого зондування з геометричними розмірами, які співпадають з просто ровою тривалістю імпульсу. В [1] описаний ТЕМ-р упор, який містить дві провідні площини, що утво рюють V-структуру. Зовнішня крайка пластин являє собою части ну окруж ності. Для поліпшен ня спрямованості і зменшення фізичних розмірів анте ни ТЕМрупор заповнюють діелектриком (у даному випадку си ліконом з e = 2,89), що доз воляє збільши ти електричний розмір антени в 1,7 рази. Це, у свою чергу, збільшує хвильовий опір антени. Для досягнення припусти мого коефіцієнта бі жучої хвилі (КБХ), необхідно при заданому геометричному розмірі анте ни експериментальнo підбирати кут розкриву р упора. Як і запропонований винахід, відомий аналог містить дві провідні поверхні, що утворюють рупор. Причиною, що перешкоджaє отриманню технічного резуль тату, є ви користання для утворення рупора плоских поверхонь невеликих розмірів, що приводить до обмеження по нижній частоті випромінюваного сигналу (ши рина смуги - 500 МГц... 4 ГГц). При ві деоімпульсному методі локації це приводить до значного спотворення випромінюваного сигналу за ра хунок обрізання низькочастотних ск ладових спектра, та може привести до погіршення можливостей виявлення малопомітних об'єктів. А ____________________ 40962 винахід, прототип містить дві провідні поверхні, що утворюють ТЕМ-р упор. Причиною, що пе решкоджує отриманню технічного результа ту, є велика амплітуда післяімпульсних коливань (відбиття від точки живлення анте ни), що приводить, з одного боку, до ви моги збільшення енерге тичного потен ціалу РЛС (не велика інтенсивність випромінювання), а з іншого - до неправильного виз начення імпульсної ха рактеристики цілі в деяких напрямках. В основу ви находу покладено завдання створити таку НШС рупорну антену ТЕМ-хвилі, в якій виконання провідних поверхонь, що утворюють рупор, експоненціальними в YOZ та XOZ площинах декартової системи координат дозволило б покращити е фективність випромінювання поля в зв'язку із збільшенням швидкості зміни струму у просто рі і за рахунок цього дозво лило б зменшити спотворення випромінюваного сигналу, тобто підвищити його інформативність щодо ознак радіолокаційних об'єктів. Поставлене завдання вирішуєть ся тим, що в НШС рупорній антені ТЕМ-хви лі, яка містить дві провідні площини, що утворюють рупор, поверхні виконані експоненціальними в YOZ та XOZ площинах де картової системи координат. Пропонуємий винахід відрізняється від прототипу тим, що поверхні, які утворюють рупор, виконані експоненціальними в YOZ та XOZ пло щинах декартової системи координат. Між суттєвими ознаками винаходу, що заявляється, і технічним результатом, якого можна досягти, існує слідуючий причинно-наслідковий зв'язок. З математичного опису процесу випромінювання, отриманого на підставі рішень рівнянь Максвела, випливає, що величина напружності випроміненого електромагнітного поля, визначається амплітудою струму імпульсу, що збуджує антену, швидкістю зміни амплітуди струму за часом і швидкістю зміни струму в просторі [5]. Амплітуда струму, так само як і швидкість зміни струму з часом, визначаються параметрами імпульса струму, що збуджує антену. Ці параметри необхідно враховувати при розробці антенних систем, але впливати на них шляхом вибору конструкції випромінювача неможливо. Покращення ефективності випромінювання може бути досягнуто за рахунок збільшення швидкості зміни струму в просторі, тобто при використанні криволінійних поверхонь. Авторами запропонованого винаходу було виявлено, що найбільша ефективність випромінювання може бути досягнута при використанні рупора, стінки якого розходяться за експоненціальним законом, тобто для підвищення ефективності випромінювання необхідно використовувати ТЕМ-рупор з експоненціальними профілями в YOZ та XOZ площинах декартової системи координат. За рахунок цього зменшується спотворення випромінюваного сигналу, тобто підвищується його інформативність щодо ознак радіолокаційних об'єктів в різних точках простору. Це було підтверджено теоретичними та експериментальними дослідженнями. На фіг. 1 зображено вигляд заявляємої антени в площині YOZ де картової системи координат, на фіг. 2 - у площині XOZ, на фіг. З - вигляд в аксонометрії, на фіг. 4 - часова залежність випромі неного НШС сигналу при геометричних параметрах антени: y=0,005exp(2,9z); x=0,2exp(0,46z); a = 15-25 °; b=45°, на фіг. 5 - пікова діаграма спрямованості в Е-площині, на фіг. 6 - пікова діаграма спрямованості в Н-площині. Згідно з фіг. 1, 2, 3 антена, що заявляється, містить дві криволінійні провідні поверхні 1 і 2 із експоненціальними профілями, що утворюють ТЕМ-р упор. Ширина поверхонь і кут розкриву a і b вибираються з тих міркувань, що хвильовий опір в області точки живлення повинен бути » 50 Ом, а КБХ у ши рокому діапазону частот приблизно одиниця. Розрахунок хвильового опору був ви конаний з використанням методів розрахун ку хвильового опору стрічкової лінії передачі. Розміри анте ни, що забезпечують найбільшу інтенсивність випроміненого електромагнітного поля ТЕМ-рупора в діапазоні частот 50МГц- 1,2 ГГц, та кі: L= =1,5 -2 м, a=15-25°, b=45-60°. Вибір такої конструкції дозволяє значно зменшити амплітуду післяімпульсних коливань, тим самим знижуючи вимоги до енергетичного потенціалу РЛС. Для оцінки якості роботи анте ни був проведений ряд розрахун ків та експериментальних досліджень. Програма розрахун ку форми випроміненого імпульсу (фіг. 4), пікової діаграми спрямованості в E та H-площинах (фіг. 5, 6) була заснована на методі інтегральних рівнянь і реалізована за допомогою пакета Fortran. Результа ти досліджень показали, що найбільший вплив на сигнал, що випромінюється, має криволінійність випромінювача в площині YOZ та кут розкриву a антени (фіг. 1). Від останнього залежить КБХ, який в області низьких частот може бути багато менший 1. Значний вплив на неспотворену передачу має також спектральний склад імпульсу. Так, при однаковій тривалості і приблизно однаковій формі НШС сигналу, менше спотворюється сигнал з більш крутими переднім і заднім фронтами, що відповідає переваженню високочастотної частини спектра. Ширина діаграми спрямованості по максимальній амплітуді в значній мірі залежить від електричних розмірів антени та їх співвідношення з просторовою тривалістю імпульсу. Джерела інформації 1. В. Scheers, М. Piette, A. Vander Vorst. Development of Dielectric-Filled ТЕМ Horn Antennas for UWB GPR // Millenium Conference on AP2000 ESA SP-444 Proceedings, 2000, v.2 p. 187. 2. A. G. Yarovo y, A. D. Schukin, L. P. Ligthart. Development of Dielectric Filled TEM-Horn // Millenium Conference on AP2000 ESA SP-444 Proceedings, 2000, v.2 p. 188. 3. Cedric Martel, Michael Philipakis, David Daniels. Time Domain of а ТЕМ Horn Antenna for Ground Penetrating Radar // Millenium Conference on AP2000 ESA SP-444 Proceedings, 2000, v.2 p. 186. 4. B.A. Ко лобов, Г.А. Полухін. "Надширокосмужна НВЧ анте на"// Радіотехніка, 1991, № 1, с. 66-68 (прототип). 5. Єрмаков Г. В. Электродинамический аналіз надширокосмужних структур поверхневого типу // Ра діотехніка, 2000, № 115, с. 18. 2 40962 Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 3 40962 Фіг. 6 Фіг. 5 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 4