Многомодовые антенны для систем помехоподавления
С.Е. Банков, А.Г. Давыдов, А.А. Курушин,
К.Б. Папилов, С.В. Самков
Аннотация
Представлены результаты исследования многовходовых антенн с тремя собственными колебаниями, настроенными на одну частоту. Показана возможность подавления при помощи такой антенны помехи произвольной поляризации, приходящей с любого направления. Также показана возможность фазовой пеленгации. Получено условие оптимальной настройки многовходовой антенны. Рассмотрены собственные колебания круглой печатной антенны, предназначенной для применения в приемных системах с функциями помехоподавления и пеленгации. Исследование спектра собственных колебаний проводится при помощи приближенной резонаторной модели, позволяющей определять резонансные частоты, добротности и диаграммы направленности колебаний. Показано существование в исследуемой антенне осесимметричного колебания, обеспечивающего выполнение указанных функций в достаточно широкой полосе частот.
Ключевые слова: печатная антенна, многомодовая антенна, помехоподавление, фазовая пеленгация.
Abstract
Investigation and design of two multimode printed antennas - single and dual layered are considered. These antennas are intended for use in anti-jamming and direction finding systems. Proposed antennas are analyzed with help of an approximate resonator model. It is demonstrated numerically that these antennas may form radiation pattern with null in the required arbitrary direction for waves of both orthogonal polarizations. It is demonstrated with help of a numerical simulation that in the proposed antenna three dominant eigenmodes may be tuned to have identical resonance frequencies and Q-factors close to Q-factor of a conventional patch antenna. Application of three ports provides well matching and independent excitation of eigenmodes. Results of experimental investigation of dual layered printed antenna are presented.
Keywords: printed antenna, multimode antenna, anti-jamming, phase direction-finding.
Введение
Задачи помехоподавления и фазовой пеленгации в последнее время приобретают особую актуальность [1]. Обычно они решаются при помощи решеток, содержащих не менее трех, чаще всего печатных, антенн (ПА). Поскольку расстояние между ними выгодно выбирать близким к половине длины волны в свободном пространстве, то подобные системы имеют габаритные размеры, во многих случаях неприемлемые. Их уменьшение может быть достигнуто за счет применения ПА специального типа - многомодовых ПА (МПА) [2], [3], в которых одинаковые резонансные частоты имеют не менее трех собственных колебаний с ортогональными диаграммами направленности (ДН).
В квадратной и круглой ПА два основных колебания имеют одинаковые резонансные частоты. Их ДН можно назвать суммарными. Они имеют максимум вдоль оси антенны и отличаются поляризацией излучения. Для решения отмеченных выше задач необходимо на той же частоте возбудить в МПА третье колебание, имеющее симметричное относительно оси антенны поле и ДН разностного типа, с нулем вдоль оси МПА.
В данной работе рассматривается МПА круглой формы, изображенная на рис. 1. Целью нашего исследования было решение следующих задач: оценка возможности подавления помех и фазовой пеленгации при помощи МПА, оценка возможности одновременной настройки симметричного и несимметричных колебания на одну частоту, оценка добротности симметричного колебания и методов ее уменьшения.
Перечисленные задачи решались при помощи приближенной резонаторной модели [4], позволяющей дать качественную оценку исследуемой МПА при приемлемых временных затратах.
Рис. 1. Многомодовая антенна
1. Помехоподавление и фазовая пеленгация в системах с МПА
В рамках резонаторной модели поле излучения МПА приближенно заменялось полем кольцевых магнитных токов, текущих по металлическому экрану, на котором она расположена. Такая модель позволяет найти парциальные ДН собственных колебаний МПА. Токи Iц, соответствующие симметричным колебаниям имеют зависимость от азимутального угла, описываемую функциями sinц, cosц. Токи симметричного колебания не зависят от азимутальной координаты.
Задача помехоподавления состоит в создании линейной комбинации парциальных ДН, имеющей нуль в заданном направлении, которое определяется углами ц0,и0. Численно было показано, что МПА обеспечивает формирование нулей для двух направлений распространения волн в полупространстве над экраном. При этом для каждого из этих направлений нуль создается для волны одной поляризации. Возможно также подавление волн двух ортогональных поляризаций, но уже для одного сочетания углов ц0,и0.
На рис. 2 показаны типичные нормированные ДН по двум компонентам поля, которые являются линейной комбинацией ДН МПА. Коэффициенты подбирались из условия формирования одного нуля для волн двух линейных поляризаций. Видно, что ДН для разных компонент поля имеют нули при заданном угле места и0=300.
Рис. 2. Формирование нулей ДН МПА
Фазовая пеленгация основана на измерении фаз с различных выходов антенной системы и формировании из них так называемой пеленгационной характеристики [5], которая представляет собой функцию углов падения волны, возбуждающей МПА.
а б
Рис. 3. Пеленгационные характеристики МПА
Типичная пеленгационная характеристика в угломестной плоскости Uи показана на рис. 3 а. Она близка к линейной при сравнительно малых углах и. При приеме волн, распространяющихся вдоль горизонта, линейность нарушается. Также показано, что данная характеристика зависит, хотя и незначительно, от угла ц. Пеленгационная характеристика в азимутальной плоскости Uц весьма близка к идеальной (линейной), что видно из рис. 3 б.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что МПА, в которой существуют три ортогональных собственных колебания решает задачу фазовой пеленгации. Также она может быть использована для подавления двух помех.
2. Исследование собственных колебаний МПА при помощи резонаторной модели
На первом этапе исследования собственных колебаний рассматривалась МПА со сплошным цилиндром без зазора (Д=0). Расчеты показали, что в структуре существуют два симметричных колебания 1 и 2, отличающиеся структурой полей (кривые 1 и 2 на рис. 4 а). Предпочтительным является колебание 1, не имеющее вариаций поля по радиусу, так как его добротность излучения Qr много меньше (см. рис. 4 б) добротности второго колебания. Причем при некоторых параметрах она может быть даже меньше добротности несимметричного колебания.
Интересно также, что симметричное колебание 1 может существовать в МПА без диэлектрического заполнения. При этом ее размеры существенно меньше размеров традиционной ПА без диэлектрика, настроенной на ту же частоту.
Недостатком МПА без зазора оказалась сложность одновременной настройки симметричных и несимметричных колебаний на одну частоту. На рис. 5 а,б показана зависимость толщины диэлектрика d от радиуса цилиндра R2, обеспечивающая настройку МПА на частоту f=1.6 ГГц. Кривые 1 и 2 соответствуют симметричному и несимметричному колебаниям. Видно, что при Д=0 (рис. 5 а) кривые 1 и 2 не имеют точек пересечения, а при Д=0.6 они пересекаются в двух точках, что говорит о возможности настройки всех колебаний на одну частоту.
Рис. 4. Характеристики симметричных колебаний
Рис. 5. Настройка колебаний МПА
Следует отметить, что наличие зазора ухудшает параметры симметричного колебания, в частности увеличивает его добротность. На рис. 6 показана зависимость радиационной добротности симметричного (кривая 1) и несимметричного колебаний (кривая 2) от радиуса R2. Видно, что добротность симметричного колебания больше, чем у несимметричного, хотя и остается на приемлемом для многих приложений уровне.
Рис. 6. Добротность колебаний МПА
Наличие неоднородного диэлектрического заполнения не всегда удобно с конструктивной точки зрения. Поэтому в работе рассматривалась возможность создания МПА, заполненной средой с постоянной диэлектрической проницаемостью.
Рис. 7. Настройка МПА с однородной средой
Численные исследования показали, что настройка МПА со сплошным диэлектриком возможна за счет вариации ее размеров R1, R2, Д. На рис. 7 показана зависимость радиуса R1 от R2 при настройке всех колебаний антенны на частоту f=1.6 ГГц, е=10. Кривые 1 и 2, соответствующие симметричному и несимметричным колебаниям, имеют необходимые точки пересечения. Однако следует отметить, что при этом добротность симметричного колебания дополнительно возрастает по сравнению с другими рассмотренными случаями.
Таким образом, из исследования собственных колебаний можно сделать два важных вывода, определивших направления дальнейших исследований МПА. Первый вывод состоит в том, что в МПА без зазора и с воздушным заполнением существует низкодобротное осесимметричное колебание. В тоже время настроить его частоту на частоту несимметричного колебания невозможно. Для этого необходимо ввести диэлектрическое заполнение и зазор в между металлическим цилиндром и экраном. В этом случае добротность осесимметричного колебания существенно возрастает. Указанное противоречие не может быть разрешено при помощи одной конструкции. Поэтому для более детального исследования были выбраны два варианта МПА. Первый вариант - однослойная МПА, имеющая диэлектрическое заполнение и указанный зазор. Второй вариант - двухслойная МПА, в которой на одном слое расположена антенна с воздушным заполнением и зазором, в которой возбуждается только симметричное колебание. На другом слое располагается традиционная печатная антенна круглой формы, в которой возбуждаются два несимметричных колебания. Антенна по первому варианту имеет худшие электрические характеристики, по крайней мере, для симметричного колебания, но превосходит второй вариант МПА по габаритным показателям. Интерес к МПА по второму варианту обусловлен возможностью существенного расширения рабочего диапазона по каналу симметричного колебания.
3. Условия оптимальной настройки МПА
МПА имеет несколько входов и может рассматриваться как СВЧ многополюсник, который описывается матрицей рассеяния S. Важной практической задачей является настройка антенны, обеспечивающая максимальную энергетическую эффективность. Для антенны с одним входом условие такой настройки очевидно. Оно сводится к равенству нулю коэффициента отражения от единственного входа. При этом автоматически обеспечивается максимальная передача мощности с этого входа в свободное пространство и наоборот. При наличии нескольких входов, условие максимальной энергетической эффективности не столь очевидно.
МПА является неунитарным многополюсником, так как имеется излучение в свободное пространство. Поэтому физически реализуемой антенне может соответствовать нулевая матрица рассеяния
. (1)
Равенство нулю всех ее элементов означает, что входы антенны не только согласованы, но и развязаны. В общей теории антенных решеток [6] показано, что равенство (1) может быть выполнено только при условии ортогональности ДН, создаваемых решеткой. В нашем случае замена решетки на МПА не имеет существенного значения. Поэтому мы можем утверждать, что соотношение (1) выполняется, если ДН МПА ортогональны. Отметим, что равенство нулю матрицы рассеяния автоматически обеспечивает полную передачу мощности с любого входа антенны в свободное пространство, то есть является условием максимальной энергетической эффективности.
Ортогональность ДН МПА следует из ортогональности полей собственных колебаний. Поскольку антенна имеет осевую симметрию, то поле любого из колебаний можно представить в виде одной или нескольких азимутальных гармоник. Каждой такой гармонике соответствует зависимость от угла вида , где - номер азимутальной гармоники. Нетрудно убедиться, что осесимметричное колебание описывается полем нулевой гармоники с , а поля двух несимметричных колебаний соответствуют гармоникам с . Ортогональность полей собственных колебаний следует из ортогональности функций на интервале от нуля до . Поскольку зависимость поля излучения от угла повторяет аналогичную зависимость поля собственного колебания, то из их ортогональности следует ортогональность ДН.
В работе также показано, что соотношение (1), являющееся условием максимальной энергетической эффективности МПА, эквивалентно ее согласованию во всех режимах возбуждения собственных колебаний. Под таким режимом понимается возбуждение антенны при работе на передачу комбинацией падающих на ее входы волн Uin, n=1,2,3, которая возбуждает в МПА одно собственное колебание.
Если МПА возбуждается традиционным образом при помощи штыря, введенного внутрь антенны, то в круглой МПА с возбудителями расположенными через 1200, имеются три такие комбинации:
, , . (2)
Нетрудно показать, что согласование в режимах (2) достигается при выполнении следующих двух равенств:
, (3)
Нетрудно увидеть, что условия (3) могут быть выполнены только при равенстве нулю элементов матрицы рассеяния S11,12. Учитывая симметрию МПА нетрудно показать, что это эквивалентно обращению в нуль всей матрицы рассеяния МПА. Таким образом, мы видим, что согласование в режимах собственных колебаний эквивалентно условию (1). Однако в некоторых случаях применение равенств (3) оказывается более удобным, чем (1). Условия (3) использовались нами при электродинамическом моделировании МПА в качестве целевых функций оптимизации антенны.
4. Электродинамическое моделирование МПА
Для численного исследования были выбраны два варианта МПА: однослойная и двухслойная антенны. Конструкция однослойной МПА соответствует структуре на рис. 1 со сплошным диэлектрическим заполнением и конечным зазором Д. Она показана на рис. 8. Двухслойная МПА на одном слое содержит традиционную круглую печатную антенну, а на другом слое антенну без зазора с воздушным заполнением.
Рис. 8. Однослойная МПА
Рис. 9. Модель однослойной МПА для численного исследования