АНТЕННА ДЛЯ ПРИЕМА СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Милехин Алексей Иванович

Научный руководитель: Буянов Юрий Иннокентьевич, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры радиофизики

Томский Государственный Университет, г.Томск, Россия

В последнее время большой интерес проявляется к использованию сверхширокополосных электромагнитных импульсов в радиолокации и связи, в результате чего возникает необходимость разработки принципов построения приемных антенн, обеспечивающих регистрацию с минимальными искажениями электромагнитных импульсов, спектр которых может занимать полосу частот шириной несколько октав. Основное требование к антенне для приема коротких радиоимпульсов заключается в том, что полоса рабочих частот антенны должна иметь ширину не меньше, чем относительная полоса частот, анимаемая спектром импульса. Это означает, что основные параметры антенны, определяющие её работоспособность и эффективность, должны сохранять свои значения в заданной полосе частот.

Для выявления факторов, влияющих на искажение формы принимаемого импульса, были исследованы непосредственно в режиме приема диапазонные и направленные свойства короткого симметричного вибратора. Величина напряжения сигнала выделяемого на сопротивление нагрузки вибратора Zn, определяется следующим выражением:

(1)

где E0-величина первичного падающего поля; Lv-действующая длина антенны; Zv-импеданс антенны.

Из выражения (1) видно, что частотная зависимость вибратора определяется соотношением . В реальных условиях допустимо некоторое изменение величины Un в полосе частот, поэтому оценки предельно допустимой полосы пропускания можно представить в виде условий:

; (2)

где Rn, Xn-активная и реактивная составляющая нагрузки вибратора; Rv, Xv-активная и реактивная составляющая импеданса вибратора; значения Smin, Smax и m определяют допустимые пределы изменения Un.

Показано, что для приема коротких электромагнитных импульсов с минимальными искажениями, необходимо использовать вибраторы, длина которых не превышает половины пространственной протяженности импульса, диаметр плеча не менее 1/10 его длины и сопротивление нагрузки в 2-3 раза превышает волновое сопротивление вибратора.

Особый интерес представляет исследование возможности создания направленных сверхширокополосных малогабаритных антенн. Известно несколько способов формирования кардиоидной диаграммы направленности, например, используя комбинацию штыря и рамки. Однако большинство из них не обеспечивает сохранение формы диаграммы направленности в широкой полосе частот. В этой связи рассмотрена возможность приема сверхширокополосных импульсов Н-образной антенной. Такая антенна представляет собой комбинацию двух параллельных вибраторов, расположенных друг от друга на расстоянии d, не превышающем 1/4 пространственной протяженности импульса. Выходы вибраторов через отрезки кабелей длиной d1 и d2, соответственно, соединены с входом вычитающей схемы, выход которой образует выход антенны.

С учетом задержки сигналов в отрезках кабелей, соединяющих вибраторы с вычитающей схемой и при идентичности вибраторов, когда L1v=L2v=Lv и , диаграмма направленности для разностного сигнала антенны может быть представлена в виде:

(3)

где k-постоянная распространения в свободном пространстве; -постоянная распространения в кабеле.

Из выражения (3) видно, что в случае когда kd<<1 и выполнении условия диаграмма направленности рассматриваемой антенны не зависит от частоты и в H-плоскости вибраторов, где , получаем диаграмму направленности в форме кардиоиды:

(4)

Ввиду того, что вибраторы в рассматриваемой антенне находятся в непосредственной близости друг от друга, возникает необходимость исследовать их взаимодействие. Для оценки относительного уровня поля, переизлученного приемным вибратором, предложена методика расчета с использованием метода наложения бегущих волн. Взаимодействие вибраторов проявляется в виде относительного приращения приведенной действующей длины. Учитывая, что наведенное сопротивление при близкорасположенных вибраторах не превышает собственного импеданса вибратора и является емкостным, легко убедится, что при выполнении условия Zn>>Zv, изменение импеданса вибратора почти не влияет на действующую длину антенны.

В результате выяснено, что распределение тока в приемном вибраторе, нагруженном на сопротивление Zn, может быть представлено в виде суперпозиции двух токов и амплитуда переизлученного поля определяется суммой моментов этих токов, наведенных падающей волной в вибраторе. Суммарный момент может быть сделан близким к нулю за счет выбора соответствующего значения Zn. При этом вибратор становится “невидимым” так как рассеянное им поле уже на расстоянии, сравнимом с размерами вибратора, оказывается пренебрежительно малым по сравнению с полем падающей волны. Проведенные расчеты показали, что при использовании вибраторов с kL<1 и , уровень переизлученного поля, по крайней мере, на 20db меньше уровня поля, переизлученного согласованным вибратором

Таким образом, показана возможность создания малогабаритной сверхширокополосной приемной антенны с диаграммой направленности, форма которой близка к кардиоиде. Такая антенна может использоваться не только для регистрации сверхширокополосных импульсов, но и как малогабаритная всеволновая телевизионная антенна.

e-mail: asf@asf.e-burg.ru