Технические науки/6

Дгали М.М.

Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь

Численное моделирование зеркальных антенн типа

«Оффсет» с использованием комбинации метода

физической оптики и апертурного метода

1. Введение

В работе излагаются результаты численного моделирования зеркальных антенн различного типа с использованием программы Ref_ZZ [1], в которой используется комбинация метода физической оптики (МФО) и апертурного метода (АМ). Рассматривается зеркальная антенна с несимметричным параболическим рефлектором (антенна типа «Оффсст») в режиме передачи и в режиме приема, сфокусированная в дальнюю и ближнюю зоны. Результаты моделирования сравниваются с результатами моделирования в программе FEKO, в которой используется комбинация метода физической оптики и метода моментов (МоМ). Для сравнения используются критерии:

– различия в параметрах антенны, определенных в двух программах;

– объем необходимой оперативной памяти компьютера;

– время решения задачи.

2. Постановка задачи

Схематически антенна показана на рис.1. Далее используются обозначения (см. рис.1): Dx, Dy – диаметры рефлектора по осям X,Y; F – фокусное расстояние рефлектора; Ah, Bh, Lh – размеры раскрыва рупора облучателя в плоскостях Е и Н и его длина; GoX – угол между осью рупора и фокальной осью рефлектора; Ymin. – расстояние от фокальной оси рефлектора до центра раскрыва несимметричного рефлектора. На рис.1 фокальная ось совпадает с осью Z. Далее приводится несколько примеров расчета диаграммы направленности в двух программах и обобщенные результаты по рассматриваемому методу МФО+АМ (в программе Ref_ZZ) в сравнении с методом МФО+МоМ (в программе FEKO). В обеих программах используется вертикальная поляризация (плоскость Е – это плоскость YZ, плоскость Н – это плоскость XZ).

Рис.1. Схема зеркальной антенны с несимметричным рефлектором

3. Результаты численного моделирования

На рис.2, 3 приведены диаграммы направленности (ДН) в плоскостях Е и Н, рассчитанные в двух программах для антенны с параметрами Dx=Dy=300 мм, F=300 мм, Ymin=150 мм, Ah=67 мм, Bh=46 мм, Hh=70 мм. Частота 10 ГГц (отношение D/λ=10). Такие размеры Ah, Bh обеспечивают спад амплитудного распределения поля на раскрыве до уровня Δ=0,3 (уровень «подставки» в амплитудном распределении). Такое значение Δ, как известно, обеспечивает максимум коэффициента направленного действия (КНД). Угол наблюдения Thetа (угол между фокальной осью рефлектора и направлением на точку наблюдения) отчитывается от фокальной оси.

а) Программа Ref_ZZ b) Программа FEKO

Рис.2. Диаграмма направленности в плоскости Е: D/λ=10

а) Программа Ref_ZZ b) Программа FEKO

Рис.3. Диаграмма направленности в плоскости Н: D/λ=10

На рис.4, 5 показаны диаграммы направленности для антенны с параметрами Dx=Dy=600 мм, F=600 мм, Ymin=300 мм. Облучатель и частота те же.

а) Программа Ref_ZZ b) Программа FEKO

Рис.4. Диаграмма направленности в плоскости Е: D/λ=20

а) Программа Ref_ZZ b) Программа FEKO

Рис.5. Диаграмма направленности в плоскости Н: D/λ=20

Из результатов моделирования следует, что ширина главного лепестка ДН и максимальный боковой лепесток получаются почти одинаковыми в двух программах. Некоторые расхождения наблюдаются в области дальних боковых лепестков, но эти расхождения не превосходят обычных ошибок измерения ДН. На уровне -40…-50 дБ ошибка измерения в большинстве случаев обусловлена отражением от стен безэховой камеры, в которой проводятся измерения, или от земной поверхности – при измерениях на полигоне. Сильная асимметрия диаграммы направленности в плоскости Е, рассчитанной в программе FEKO, на поддается объяснению. Несмотря на асимметрию амплитудного распределения на раскрыве рефлектора в этой плоскости, такой асимметрии в диаграмме направленности не должно быть. Известно, что характер амплитудного распределения не влияет на симметрию диаграммы направленности антенны [2].

Обобщенные данные сравнения результатов, полученных в двух программах для антенны с несимметричным рефлектором, представлены на графиках рис.6–9. На графиках обозначено: символом «Lo» – длина волны λ; символом «G» – КНД; символами «Tf» и «Tref» –– время решения задачи в программе FEKO и в программе Ref_ZZ соответственно. Представленные графики характеризуют зависимость параметров антенны от волнового диаметра рефлектора – D/λ, где D=Dx=Dy. При изменении D сохранялось отношение F/D и размеры рупора облучателя. Поэтому сохранялось амплитудное распределение поля на раскрыве рефлектора в режиме передачи и, следовательно, уровень облучения края рефлектора Δ=0,3.

Плоскость Е Плоскость Н

Рис.6. Зависимость ширины главного лепестка ДН от волнового

диаметра рефлектора

Плоскость Е Плоскость Н

Рис.7. Зависимость максимального бокового лепестка ДН от волнового

диаметра рефлектора

Наличие минимума Fbm при D/λ=15 на зависимости, полученной в программе FEKO, не поддается объяснению.

Рис.8. Зависимость КНД от волнового диаметра рефлектора

Отношение времени счета Объем оперативной памяти

Рис.9. Зависимости от волнового диаметра рефлектора - D/λ

4. Заключение

Сравнение результатов моделирования зеркальной антенны в двух программах позволяет сделать выводы:

1. Заметные различия в результатах расчета диаграммы направленности и КНД зеркальной антенны типа «Оффсет» с рупорным облучателем проявляются в уровне боковых дальних лепестков и в некоторой асимметрии диаграммы направленности в плоскости Е.

2. При D/λ=10 уровень боковых лепестков под углом 80°… 90° в плоскости Е, полученный в программе FEKO составляет примерно -40 дБ, что на 10 дБ больше, чем в программе Ref_ZZ . Это уменьшается с увеличением D/λ . В плоскости Н, где рефлектор симметричен, различие меньше.

3. КНД, рассчитанный в двух программах, отличается на 3-5%, что практически не превышает погрешности эксперимента.

4. Наличие расхождений в рассчитанных параметрах ДН и КНД компенсируются преимуществами программы Ref_ZZ: удобством и быстротой задания исходных данных для моделирования и существенным сокращением объема требуемой для работы оперативной памяти компьютера и времени счета.

Литература

1. 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.

2. Антенные системы радиоэлектронных средств. // Под ред. Хохлова Г.В. –М.: Воениздат, 1974.- 366 с.