I.
Введение
Методом физической оптики с использованием теории возбуждения волноводов [1] исследуется распределение поля в ближней зоне зеркальной антенны, сфокусированной в ближнюю и дальнюю зоны, при приеме сферической волны, излучаемой из точки, расположенной на конечном расстоянии от антенны. Анализируется зависимость распределения поля от координат точки источника волны и параметров рефлектора. Исследуется различия в диаграмме направленности антенны, сфокусированной в дальнюю и ближнюю зоны, и различия в диаграмме направленности в режимах приема и передачи.
1.
Метод анализа
Рассматривается однозеркальная антенна с параболическим рефлектором и облучателем в
виде пирамидального рупора с основной модой 
. Для определения вектора плотности поверхностного тока на
рефлекторе используется метод физической оптики. Поле рассеяния рефлектора на
раскрыве рупора облучателя определяется методом векторного потенциала. По полю
на раскрыве рупора методом теории возбуждения волноводов определяется мощность,
поступающая в волновод. Задача решается
численно. Поэтому на отношение линейных размеров и длины волны не накладываются
никакие ограничения. Далее используются обозначения: D – диаметр рефлектора; F – фокусное расстояние рефлектора;
A, B – размеры раскрыва рупора облучателя в
плоскостях H и E; R –
расстояние до точки источника электромагнитной волны – в режиме приема или до
точки наблюдения – в режиме передачи; λ – длина волны; θ – угол между
фокальной осью и направлением на точку источника волны в режиме приема (или
точку наблюдения в режиме передачи) ; Yp=X/λ – нормированные к длине волны
координата точки наблюдения, в которой определяется поле, рассеянное
рефлектором. Координаты Z,Y отсчитываются
от центра апертуры рефлектора. Антенна ориентирована в пространстве так, что
раскрыв рефлектора расположен в плоскости XOY, фокальная ось совпадает с осью OZ (далее осью Z).
2.
Результаты анализа
1. Поле в ближней зоне. Для численного моделирования использована компьютерная программа, описанная в работе [2]. Моделирование проведено при различных геометрических параметрах антенны D/λ и F/D, но ниже основные закономерности иллюстрируются, в основном, на антенне с параметрами D/λ=30 и F/D=0,5. Геометрические размеры раскрыва облучателя A, B выбраны так, чтобы в режиме передачи на кромке рефлектора облучатель создавал поле с амплитудной, равной 0,3 от максимума поля в центре рефлектора. На рис.1 показано распределение нормированной к максимуму амплитуды электрического поля вдоль фокальной оси рефлектора (в зависимости от Z) при облучении антенны со стороны оси Z (θ =0) для двух случаев: рис.1а – из точки дальней зоны и рис.1б –из точки ближней зоны .
a) R=100D b) R=D
Рис.1. Распределение поля вдоль фокальной оси
Из рис.1 следует, что при облучении антенны из дальней зоны точка фокусировки (точка максимума поля) располагается в фокусе рефлектора (Z/D=F/D=0,5). С приближением точки излучения к раскрыву рефлектора область фокусировки поля удаляется от плоскости рефлектора и расширяется. Так, при R=100D область фокусировки на уровне E/Emax=0,707 составляет ΔZ=0,07D, а при R=D эта область расширяется до значения ΔZ=0,27D. Величина ΔZ/D уменьшается при увеличении отношения D/λ, но абсолютное значение ширины области ΔZ не зависит от величины D/λ и составляет приблизительно 2,2λ при облучении из дальней зоны. Максимум поля на фокальной оси соответствует той точке, в которую надо поместить фазовый центр рупорного облучателя для фокусировки антенны в заданную точку в режиме передачи (или приема).
Численные анализ показывает, что ширина области фокусировки по координате Y (в картинной плоскости) зависит от положения источника облучающей электромагнитной волы относительно фокальной оси. При расположении источника на фокальной оси в дальней зоне ширина области фокусировки минимальна при θ=0. С отклонением точки источника с оси Z область фокусировки смещается в фокальной плоскости и расширяется. Для иллюстрации на рис.2 показано распределение нормированной амплитуды поля вдоль оси Y при Z=F (в фокальной плоскости) в режиме приема для двух случаев «а» и «б». В обоих случаях точка источника электромагнитной волны расположена на расстоянии от антенны R=30D (промежуточная зона). Угол между направлением на точку наблюдения и фокальной осью равен θ. Случаи «а» и «б» отличаются углом θ.
Ширина области фокусировки по уровню 0,707 от максимума приблизительной равна длине волны λ при θ=0. Ширина области фокусировки практически не зависит от отношения D/λ при неизменном отношении F/D. Смещение области в фокальной плоскости увеличивается с ростом D/λ при F/D =const, что иллюстрируется рис.3.
a) θ=0 b) θ=5°
Рис.2. Распределение поля в фокальной плоскости
a) D/λ=60 b) D/λ=90
Рис.3. Распределение поля в фокальной плоскости
2. Диаграмма направленности. Диаграмма направленности антенны, сфокусированной в дальнюю зону, отличается от диаграммы направленности антенны, сфокусированной в ближнюю зону. На рис.4 и 5 показаны диаграммы направленности антенны с параметрами D/λ=30, F/D=0,5, рассчитанные для режима передачи в разных угловых секторах:
линия 1- диаграмма направленности при положении облучателя в фокусе рефлектора (Z=0,5D), точка наблюдения, в которой определяется поле, расположена на расстоянии от антенны R=100D (в дальней зоне);
линия 2 - диаграмма направленности при положении облучателя на фокальной
оси в точке Z=0,6D, точка наблюдения, в
которой определяется поле, расположена на расстоянии от антенны R=3D (в ближней зоне).
Рис.4. Диаграмма направленности антенны, сфокусированной в дальнюю зону (1) и в ближнюю зону (2). Режим передачи.
Угловой сектор -40°…40°
Рис.5. Диаграмма направленности антенны, сфокусированной в дальнюю зону (1) и в ближнюю зону (2). Режим передачи.
Угловой сектор -180°…180°
Из рис.4, 5 следует, что несущественные различия в диаграммах направленности наблюдаются в области боковых лепестков. Это связано со следующим. Для фокусировки антенны в ближнюю зону облучатель перемещается вдоль фокальной оси от плоскости рефлектора. При этом возрастает уровень облучения края зеркала облучателем, и вследствие этого, увеличиваются боковые лепестки. В частности при выбранном уровне облучения края зеркала 0,3 (или приблизительно -10 дБ) при расположении облучателя в фокусе рефлектора и последующем смещении в точку Z=0,6D этот уровень возрос до 0,4, а максимальный боковой лепесток увеличился на 2,5 дБ.
Диаграмма направленности в режиме приема антенны, сфокусированной в дальнюю и ближнюю зоны, отличаются аналогично. На рис.6 показаны диаграммы направленности антенны в режиме приема для двух случаев: 1 – антенна сфокусирована в ближнюю зону (Rq=3D), 2 – антенна сфокусирована в дальнюю зону (Rq=100D).
Связь диаграмм направленности в режимах передачи и приема, рассчитанные описанным методом с использованием теории возбуждения волноводов иллюстрирует рис.7. На рисунке показаны диаграммы направленности той же антенны сфокусированной на расстояние Rq=3D: линия 1 – режим передачи, линия 2 – режим приема.
Рис.6. Диаграммы направленности в режиме приема антенны, сфокусированной в дальнюю зону (1) и ближнюю зону (2)
Диаграмма направленности зеркальной антенна в режиме приема не совпадает с нормированной зависимостью амплитуды поля в точке фокусировки E/Emax от угловой координаты источника волны θ. На рис.8 показана диаграмма направленности в режиме приема (линия 1) и зависимость E/Emax от θ (линия 2). Антенна сфокусирована на расстояние Rq=3D – в ближнюю зону. Различия связаны с тем, что поле в волноводе определяется распределением поля на раскрыве рупора, а не только в одно точке раскрыва, совпадающей с точкой максимума поля в области фокусировки. Эти зависимости совпадали бы при точечном облучателе.
Рис.7. Диаграммы направленности в режимах передачи и приема для
антенны, сфокусированной в ближнюю зону на расстояние Rq=3D
3. Заключение
Исследованы зависимости амплитуды поля, рассеянного рефлектором, в картинной плоскости и вдоль фокальной оси при облучении рефлектора сферической волной, излучаемой из точки пространства с заданными координатами. Показано, что положение области фокусировки поля, принятого рефлектором, зависит от отношения диаметра рефлектора к длине волны D/λ. Размеры области фокусировки на заданном уровне поля (например, на уровне 0,707 от максимума) практически не зависят от отношения D/λ, но зависят от длины волны и координат точки источника волны.
Исследованы различия диаграмм направленности антенны в режиме приема антенны, сфокусированной в ближнюю и дальнюю зоны. Сделана сравнительная оценка диаграммы направленности в режиме передачи и диаграммы направленности в режиме приема при использовании метода физической оптики с применением теории возбуждения волноводов для определения мощности, поступающей в волновод.
Рис.6. Диаграмма направленности в режиме
приема (линия 1) и зависимость E/Emax от θ (линия 2)
Показано, что диаграмма направленности в режиме приема, определенная как зависимость амплитуды поля в волноводе от направления прихода волны (угла θ), существенно отличается от зависимости амплитуды поля в точке фокусировки от угла θ. Это связано с тем, что облучатель не является точечным источником поля.
Литература
1. Юрцев О.А., Наумович Н.М., Чекан С.А., Дгали М.М. Развязка между каналами в многолучевой зеркальной антенне в режиме приема сферической волны. // Радоиэлектроника. Известия высших учебных заведений. – том 53. –№4. – Апрель 2010. сc.44-50.
2. Юрцев О.А. Эффективная программа для численного моделирования зеркальных антенн. //Материалы V11 международной научно-практической конференции «Wyksztalcenie I nauka bez granic -2011», 07-15 grudnia 2011 roku. –Volume 29. –Techniezne nauki. –Fizyka, pp. 31-37.