СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным антеннам, и может найти применение в системах радиосвязи и радиолокации.
Известна сверхширокополосная антенна круговой поляризации (Патент №2206160. «Сверхширокополосная антенна круговой поляризации». МПК H01Q 21/24), которая формирует поле излучения круговой поляризации в сверхширокой полосе частот. Недостатком данной антенны является формирование поля круговой поляризации в малом секторе угловых направлений.
Наиболее близким по технической сущности техническим решением - прототипом является антенна Вивальди (Е.Gazit, Improved design of the Vivaldi antenna, in IEE Proc., Vol.135, Pt. H, No.2, April 1988, pp.89-92), содержащая излучатель Вивальди, расположенный в виде металлизированных лепестков на диэлектрической подложке, которая излучает сверхширокополосный сигнал в широком секторе угловых направлений. При этом форма излучателя Вивальди может варьироваться. Интенсивное излучение происходит из активной области, которая расположена между лепестками.
Недостатком прототипа является невозможность формирования поляризации, отличной от линейной.
Таким образом, известная сверхширокополосная антенна не обеспечивает излучение и прием в широкой полосе частот и в широком секторе угловых направлений волн круговой поляризации.
Изобретение направлено на создание сверхширокополосной антенны круговой поляризации, на основе антенны Вивальди, обеспечивающей излучение и прием сверхширокополосных сверхкоротких импульсов субнаносекундной длительности, способной:
- работать в режиме излучения и формировать в пространстве сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации, распространяющийся в заданном широком секторе угловых направлений;
- принимать в широком секторе угловых направлений сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации и передавать его в фидерную линию.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Заявляемая сверхширокополосная антенна в дополнение к основному (опорному) излучателю Вивальди содержит два дополнительных излучателя Вивальди, каждый из которых расположен под углом 120° к основному излучателю. При этом, сигнал подается на излучатели через делитель на три направления. На первый (опорный) излучатель сигнал подается напрямую; на первый дополнительный излучатель сигнал подается с задержкой относительно опорного на определенное время Δt, равное трети длительности входного импульса; сигнал, подаваемый на второй дополнительный излучатель, задержан на удвоенное время по сравнению с первым дополнительным излучателем, равное 2Δt. Вход делителя сигналов является входом антенны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема сверхширокополосной антенны:
1 - основной излучатель Вивальди;
2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;
3 - второй дополнительный излучатель Вивальди;
4 - делитель сигналов;
5 - первый выход делителя сигналов;
6 - второй выход делителя сигналов;
7 - третий выход делителя сигналов;
8 - линия задержки на время Δt;
9 - линия задержки на время 2Δt.
На фиг.2 представлен общий вид антенны, где:
1 - основной излучатель Вивальди;
2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;
3 - второй дополнительный излучатель Вивальди;
8 - линия задержки на время Δt;
9 - линия задержки на время 2Δt.
На фиг.3 показано взаимное расположение излучателей Вивальди:
1 - основной излучатель Вивальди;
2 - первый дополнительный излучатель Вивальди;
3 - второй дополнительный излучатель Вивальди.
На фиг.4. представлена конструкция линий задержки:
8 - линия задержки на время Δt;
9 - линия задержки на время 2Δt;
10 - первый вход линии задержки;
11 - второй вход линии задержки;
12 - третий вход линии задержки.
На фиг 4,а) показаны линии задержки в разрезе, на фиг.4,б) показан вид со стороны излучателей.
На фиг.5 изображен импульс напряжения, поступающий на вход делителя сигналов.
На фиг.6 показаны временные зависимости поля в дальней зоне в зависимости от угла φ: φ=0, φ=15°, φ=30° и т.д. с шагом 15 градусов до 180 градусов.
На фиг.7 приведена итоговая поляризационная диаграмма.
Сверхширокополосная антенна работает следующим образом.
На вход делителя сигналов 4 поступает импульс напряжения (фиг.5)
m
где U - амплитуда импульса;
τ - длительность импульса;
t - время.
Входной импульс делится в делителе сигналов 4 на три импульса поровну и без отражения. Импульс с первого выхода 5 делителя сигналов 4 попадает на вход основного излучателя Вивальди 1, который излучает его в свободное пространство. На первый дополнительный излучатель Вивальди 2 импульс попадает со второго выхода 6 делителя сигналов 4 и предварительно проходит линию задержки 8 на время Δt=τ/3 (треть длительности входного импульса). В свою очередь он излучает в пространство импульс линейной поляризации, задержанный относительно первого и повернутый относительно него на угол 120°. На второй дополнительный излучатель Вивальди 3 импульс попадает с третьего выхода 7 делителя сигналов после прохождения двойной линии задержки на две трети длительности импульса. Таким образом, на третий излучатель импульс попадет с задержкой 2Δt=2τ/3 и излучается в свободное пространство повернутым на угол 120° относительно второго и на 240° относительно первого.
Для анализа поляризационных свойств заявляемой антенны рассмотрим процесс излучения импульсных СШП сигналов, поступающих на вход излучателей Вивальди со своими задержками.
Описание процесса излучения электромагнитной волны антенной, возбуждаемой импульсным СШП сигналом, наталкивается на определенные трудности, связанные с тем, что сам СШП импульс действует на входе антенны конечное время. Поэтому процесс излучения электромагнитных волн такой антенной следует описывать при помощи математического аппарата метода конечных разностей во временной области. Описание метода конечных разностей во временной области приведено в [Kunz Karl S., Luebbers Raymond J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics, CRC Press, 1993].
Для анализа СШП антенн и устройств СВЧ, работающих в нестационарном режиме, наиболее целесообразно использовать программу численного электромагнитного моделирования на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD - Finite Difference Time Domain). Такой программой является XFDTD (фирмы Remcom) - это система полного трехмерного электромагнитного моделирования, обладающая интуитивным графическим пользовательским интерфейсом подготовки расчетов и представления результатов.
В результате электромагнитного моделирования СШП антенн и устройств СВЧ программа XFDTD предоставляет возможность получить "временные реализации" сигналов в некоторых точках свободного пространства (дальней зоне).
Полученные в результате электромагнитного моделирования СШП антенны данные, должны быть обработаны с использованием пакета математических программ. В качестве такового была выбрана программа MathCAD.
Для анализа поляризационных свойств заявляемой антенны необходимо исследовать временные зависимости электрического поля в дальней зоне в зависимости от угла φ. Угол φ отсчитывается по часовой стрелке от положительного полюса основного излучателя Вивальди 1.
Моделирование данной антенны в редакторе XFDTD дает следующие результаты в дальней зоне в зависимости от угла φ (фиг.6). На фиг.6 показаны временные зависимости поля в дальней зоне в зависимости от угла φ: φ=0, φ=15°, φ=30° и т.д. с шагом 15 градусов до 180 градусов.
Поляризационная диаграмма строится следующим образом. Берутся две временные зависимости электрического поля в дальней зоне при углах φ, отличающихся на 90°, например, theta0(t) и theta90(t) (см фиг.6). Для этих двух зависимостей вычисляется временная зависимость огибающей по формуле
Для вычисления огибающей А15(t) нужно, аналогично, взять зависимости theta15(t) и theta105(t) и т.д.
среза
среза
Откладывая полученные временные зависимости огибающих при соответствующих значениях угла φ на одном трехмерном графике, получаем итоговую поляризационную диаграмму фиг.7. Коэффициент эллиптичности определяется путем произведения среза на полученной поляризационной диаграмме в момент t, когда значение A(t, φ) максимально.
Для заявляемой антенны коэффициент эллиптичности, вычисленный указанным выше способом, оказался равным 0,82, что позволяет сделать вывод, что рассматриваемая антенна имеет возможность передавать и принимать в широком секторе угловых направлений сверхширокополосный сверхкороткий импульс круговой поляризации.