ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫ НА ОСНОВЕ ПОДМАГНИЧЕННОГО ГИРОМАГНИТНОГО РЕЗОНАТОРА С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ОБЪЕМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ

Полный текст

На основе подмагниченного гиромагнитного резонатора (ГР) возможно создание управляемых частотно-независимых СВЧ-антенн [1]. Несмотря на то, что ГР в таких антеннах является промежуточным звеном между возбуждающим СВЧ полем и открытым резонатором (ОР), основные свойства таких излучателей определяются подмагниченным ГР, а именно: создание вращающегося поля с эллиптической (а в осевом направлении с круговой) поляризацией; электрическая коммутация направления вращения поля; высокая частотная избирательность; магнитная перестройка частоты поля излучения. Наиболее компактная конструкция излучателя на основе ГР показана на рис. 1. Принцип действия излучателей на основе подмагниченного ГР основан на следующих физических процессах: возбуждение полем фидерной линии процессии намагниченности сферического ГР; возбуждение в открытом резонаторе колебания квази-Е110 типа с вращающейся поляризацией через боковую поверхность ОР; излучение ОР во внешнее пространство электромагнитного поля с вращающейся поляризацией через боковую поверхность ОР. Математическая модель для расчета поля излучения в дальней зоне в цилиндрической системе (ρ, , z) координат представляет собой кольцо магнитного тока по боковой кромке ОР с плотностью где h - высота ОР; а - радиус ОР; δ - дельта функция Дирака; Ф() = . Магнитный ток через электрическое поле по кромке ОР, находится по формуле [1-2] . Рис. 1. Антенна на основе подмагниченного ГР: 1 - экран; 2 - ГР; 3 - стальной диск; 4 - плоский диэлектрический цилиндрический резонатор; 6 - магнитопровод; 7 - вкладыш из магнитодиэлектрика; 8 - подмагничивающая катушка с проводом Исходным уравнением для нахождения поля излучения является уравнение Гельмгольца для магнитного потенциала: где - волновое число в вакууме. Решением уравнения Гельмгольца является следующее выражение (1) выражения для составляющих электрического поля, найденные по формуле (1), найденные в сферической системе координат (r, θ, ) [1-2], записываются в виде: (2) откуда амплитудную характеристику диаграммы направленности можно представить следующей формулой: (3) В формуле (3) введены следующие обозначения:, F(θ,) - амплитудная диаграмма направленности; w = ka sin θ ; - функция Бесселя первого рода, первого порядка. Диаграмма направленности антенны, рассчитанная по формуле (3) в пространстве имеет вид, показанный на рис. 2. Рис. 2. Объемный вид амплитудной характеристики направленности Из рис. 2 видно, что в азимутальной плоскости (по), диаграмма направленности представляет круг и поэтому интересно распределение поля излучения по координате θ. Предлагаемая антенна имеет большой интерес с точки зрения поляризационных характеристик, которые описываются нормированным вектором поляризации или векторной поляризационной характеристикой : где и поперечные составляющие вектора поляризации в дальней зоне. Рис. 3. Экспериментальная поляризационная характеристика антенны на основе ГР Эллипс поляризации, измеренный в дальней зоне, на конструкции антенны, изображенной на рис. 1, показан на рис. 3. Составляющие вектора поляризации находятся по следующим формулам: Здесь введен коэффициент эллиптичности: , подставляя значения составляющих электрического поля по формулам (2), получим Рис. 4. Зависимость модуля коэффициента χ от угла наблюдения θ Зависимость модуля коэффициента эллиптичности от угла наблюдения θ в радианах представлена на рис. 4. На рис. 5 показано, как меняется коэффициент эллиптичности в пространстве от точки приема сигнала. Рис. 5. Изменения эллипса излучения от угла наблюдения Были проведены экспериментальные измерения параметров излучения (в том числе, коэффициента эллиптичности) для антенны на основе подмагниченного ГР с различными типами ОР. Типы исследуемых ОР, показаны на рис. 6. Рис. 6. Исследуемые типы ОР: а) ОР с диэлектрическим основанием и плоским металлическим диском; б) ОР с ферритовым основанием и плоским металлическим диском; в) ОР с ферритовым основанием и плоским круглым металлическим кольцом; г) ОР с диэлектрическим основанием и металлическим излучателем типа «стакан» Схема измерения характеристик излучателя приведена на рис. 7. Коэффициент усиления измерялся абсолютным методом на основе рупорной антенны (с известным коэффициентом усиления) [2]. Погрешность измерений не превышает 5%. Измерения показали следующие характеристики для излучателей с ОР, показанных на рис. 6а;б - коэффициент усиления 1,6…1,8; КПД 0,5…0,6; коэффициент эллиптичности 0,8…0,9; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения а) 250…270 МГц, б) 350…400 МГц; в) - коэффициент усиления 1,4…1,6; КПД 0,7…0,8; коэффициент эллиптичности 0,9…0,95; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения 550…500 МГц; г) - коэффициент усиления 2,4…2,6; КПД 0,7…0,8; коэффициент эллиптичности 0,75…0,8; полоса магнитной перестройки центральной частоты излучения 200…250 МГц. Рис. 7. Блок-схема измерения характеристик антенны: 1 - генератор СВЧ (Г4-83); 2-короткозамкнутый прямоугольный волновод; 3- ГР в запредельном круглом отверстии волновода; 5 - магнит; 5 - изучаемый ОР; 6 0 приемная рупорная антенна с детекторной головкой и поворотным устройством; 7 - измерительный усилитель У2-8 Таким образом, несмотря на определяющую роль ГР в формировании излучения рассматриваемых антенн, подбором определенного типа ОР можно в широких пределах варьировать параметры излучения антенн на основе подмагниченного ГР. Поляризационные характеристики излучателей на основе ГР можно использовать для создания измерителей коэффициента поляризации и направления вращения векторов поля, а также, помещая сбоку ОР переменное магнитное поле, можно модулировать коэффициент эллиптичности поля излучения.

Об авторах

Александр Анатольевич Солдатов

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Леонид Дидимович Ложкин

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Email: leon.lozhkin@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы