Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии

Предмет и цель работы: Исследуются электродинамические характеристики решеток кольцевых щелей в экране коаксиальной линии и способы управления ими путем изменения геометрических параметров фидера, решетки и электрофизических параметров внутреннего и внешнего пространств. Результаты: Исследованы энер...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Радиофизика и радиоастрономия
Дата:	2017
Автори:	Катрич, В.А., Лященко, В.А., Медведев, Н.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2017
Теми:	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130275
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии / В.А. Катрич, В.А. Лященко, Н.В. Медведев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 222-230. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-130275
record_format	dspace
spelling	Катрич, В.А. Лященко, В.А. Медведев, Н.В. 2018-02-09T19:56:00Z 2018-02-09T19:56:00Z 2017 Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии / В.А. Катрич, В.А. Лященко, Н.В. Медведев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 222-230. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1027-9636 PACS: 84.40.Ba DOI: doi.org/10.15407/rpra22.03.222 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130275 621.396, 677.71 Предмет и цель работы: Исследуются электродинамические характеристики решеток кольцевых щелей в экране коаксиальной линии и способы управления ими путем изменения геометрических параметров фидера, решетки и электрофизических параметров внутреннего и внешнего пространств. Результаты: Исследованы энергетические характеристики, амплитудно-фазовые распределения и диаграммы направленности систем кольцевых щелей, расположенных в экране бесконечных и полубесконечных коаксиальных линий с учетом и без учета внешних взаимных связей между излучателями для различных параметров антенны. Предмет і мета роботи: Досліджуються електродинамічні характеристики решіток кільцевих щілин у екрані коаксіальної лінії та способи керування ними шляхом зміни геометричних параметрів фідеру, решітки та електрофізичних параметрів внутрішнього й зовнішнього просторів. Результати: Досліджено енергетичні характеристики, амплітудно-фазові розподіли і діаграми спрямованості систем кільцевих щілин, розташованих в екрані нескінченних та напівнескінченних коаксіальних ліній з урахуванням та без урахування зовнішніх взаємних зв’язків між випромінювачами для різноманітних параметрів антени. Purpose: The electrodynamic characteristics of circumferential slot arrays on a coaxial line shield and the ways of their control by changing the feeder, array geometrical parameters and electrophysical parameters of internal and external spaces are being studied. Findings: The energy characteristics, amplitude and phase distributions and radiation patterns of the circumferential slot systems cut in the shield of infinite and semi-infinite coaxial lines are examined with and without accounting for the external interconnection between radiators for different antenna parameters. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Антенны, волноводная и квазиоптическая техника Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии Багатоелементні системи кільцевих щілин в екрані коаксіальної лінії Multielement systems of circumferential slots on a coaxial line screen Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
spellingShingle	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии Катрич, В.А. Лященко, В.А. Медведев, Н.В. Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
title_short	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
title_full	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
title_fullStr	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
title_full_unstemmed	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
title_sort	многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии
author	Катрич, В.А. Лященко, В.А. Медведев, Н.В.
author_facet	Катрич, В.А. Лященко, В.А. Медведев, Н.В.
topic	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
topic_facet	Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
publishDate	2017
language	Russian
container_title	Радиофизика и радиоастрономия
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
format	Article
title_alt	Багатоелементні системи кільцевих щілин в екрані коаксіальної лінії Multielement systems of circumferential slots on a coaxial line screen
description	Предмет и цель работы: Исследуются электродинамические характеристики решеток кольцевых щелей в экране коаксиальной линии и способы управления ими путем изменения геометрических параметров фидера, решетки и электрофизических параметров внутреннего и внешнего пространств. Результаты: Исследованы энергетические характеристики, амплитудно-фазовые распределения и диаграммы направленности систем кольцевых щелей, расположенных в экране бесконечных и полубесконечных коаксиальных линий с учетом и без учета внешних взаимных связей между излучателями для различных параметров антенны. Предмет і мета роботи: Досліджуються електродинамічні характеристики решіток кільцевих щілин у екрані коаксіальної лінії та способи керування ними шляхом зміни геометричних параметрів фідеру, решітки та електрофізичних параметрів внутрішнього й зовнішнього просторів. Результати: Досліджено енергетичні характеристики, амплітудно-фазові розподіли і діаграми спрямованості систем кільцевих щілин, розташованих в екрані нескінченних та напівнескінченних коаксіальних ліній з урахуванням та без урахування зовнішніх взаємних зв’язків між випромінювачами для різноманітних параметрів антени. Purpose: The electrodynamic characteristics of circumferential slot arrays on a coaxial line shield and the ways of their control by changing the feeder, array geometrical parameters and electrophysical parameters of internal and external spaces are being studied. Findings: The energy characteristics, amplitude and phase distributions and radiation patterns of the circumferential slot systems cut in the shield of infinite and semi-infinite coaxial lines are examined with and without accounting for the external interconnection between radiators for different antenna parameters.
issn	1027-9636
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/130275
citation_txt	Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии / В.А. Катрич, В.А. Лященко, Н.В. Медведев // Радиофизика и радиоастрономия. — 2017. — Т. 22, № 3. — С. 222-230. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT katričva mnogoélementnyesistemykolʹcevyhŝeleivékranekoaksialʹnoilinii AT lâŝenkova mnogoélementnyesistemykolʹcevyhŝeleivékranekoaksialʹnoilinii AT medvedevnv mnogoélementnyesistemykolʹcevyhŝeleivékranekoaksialʹnoilinii AT katričva bagatoelementnísistemikílʹcevihŝílinvekraníkoaksíalʹnoílíníí AT lâŝenkova bagatoelementnísistemikílʹcevihŝílinvekraníkoaksíalʹnoílíníí AT medvedevnv bagatoelementnísistemikílʹcevihŝílinvekraníkoaksíalʹnoílíníí AT katričva multielementsystemsofcircumferentialslotsonacoaxiallinescreen AT lâŝenkova multielementsystemsofcircumferentialslotsonacoaxiallinescreen AT medvedevnv multielementsystemsofcircumferentialslotsonacoaxiallinescreen
first_indexed	2025-11-26T00:10:49Z
last_indexed	2025-11-26T00:10:49Z
_version_	1850596025601884160
fulltext	ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017222 Радиофизика и радиоастрономия. 2017, Т. 22, № 3, c. 222–230 © В. А. Катрич, В. А. Лященко, Н. В. Медведев, 2017 ÀÍÒÅÍÍÛ, ÂÎËÍÎÂÎÄÍÀß È ÊÂÀÇÈÎÏÒÈ×ÅÑÊÀß ÒÅÕÍÈÊÀ В. А. КАТРИЧ, В. А. ЛЯЩЕНКО, Н. В. МЕДВЕДЕВ Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: n.v.medvedev@karazin.ua ÌÍÎÃÎÝËÅÌÅÍÒÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÊÎËÜÖÅÂÛÕ ÙÅËÅÉ Â ÝÊÐÀÍÅ ÊÎÀÊÑÈÀËÜÍÎÉ ËÈÍÈÈ Предмет и цель работы: Исследуются электродинамические характеристики решеток кольцевых щелей в экране коак- сиальной линии и способы управления ими путем изменения геометрических параметров фидера, решетки и электро- физических параметров внутреннего и внешнего пространств. Методы и методология: Задача возбуждения и излучения электромагнитных волн системой кольцевых щелей в беско- нечно тонком и идеально проводящем экране коаксиальной линии решается методом магнитодвижущих сил с после- дующим созданием многопараметрической численной модели многоэлементной антенной решетки. Результаты: Исследованы энергетические характеристики, амплитудно-фазовые распределения и диаграммы направ- ленности систем кольцевых щелей, расположенных в экране бесконечных и полубесконечных коаксиальных линий с учетом и без учета внешних взаимных связей между излучателями для различных параметров антенны. Заключение: Проведенные исследования электродинамических характеристик решеток кольцевых щелей в экране коак- сиальной линии показали слабое влияние внешних взаимных связей между излучателями на направленные свойства антенны и существенное влияние на ее энергетические характеристики. Показано отличие характеристик системы кольцевых щелей от системы дуговых щелей. Ключевые слова: коаксиальная линия, кольцевая щель, диаграмма направленности, амплитудно-фазовое распределение, коэффициент излучения, коэффициент отражения, взаимные связи DOI: https://doi.org/10.15407/rpra22.03.222 УДК 621.396, 677.71 PACS number: 84.40.Ba 1. Ââåäåíèå Коаксиально-щелевые антенны или так называемые излучающие кабели применяются в мобильной, сото- вой, пейджинговой связи, в радарных установках, в низ- коорбитальных мобильных комплексах, например, LEO MSAT (low-Earth-orbit mobile satellite). Такие антенны используются в качестве антенн связи в местах с вы- сокой степенью экранировки: метрополитенах, тоннелях, шахтах, подземных коммерческих и торговых центрах. Коаксиально-щелевые антенны работают также в сред- ствах специальной связи и связи с движущимися объек- тами, средствах настройки и калибровки спутниковых систем, охранных системах и системах обнаружения. Особое значение имеет применение коаксиально-щеле- вых антенн в качестве зондов и облучателей в медици- не и биологии в диагностическом и терапевтическом оборудовании [1–6]. Существуют два типа излучающих кабелей. В первом случае в экране кабеля имеются от- верстия (щели), размеры и расстояния между которыми много меньше длины волны . Такие антенны называются кабелями со свя- занными волнами или кабелями вытекающей волны. Второй тип характеризуется тем, что щели располагаются на расстояниях, соизме- римых с длиной волны, т. е. фактически рас- сматриваемые излучающие кабели представ- ляют собой антенные решетки. Именно этот тип излучающих кабелей является предметом настоящих исследований. В экране коаксиальной линии могут проре- заться поперечные узкие кольцевые либо ду- говые щели. В работе авторов [7] были рас- смотрены характеристики систем дуговых щелей во внешнем проводнике коаксиальной линии. Целью настоящей работы является ис- следование энергетических коэффициентов ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 223 Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии и направленных свойств многоэлементной антен- ной решетки в виде системы поперечных коль- цевых щелей, расположенных в экране коак- сиальной линии, изучение влияния размеров коак- сиальных линий на электродинамические харак- теристики антенн. 2. Ïîñòàíîâêà è ðåøåíèå çàäà÷è Методом магнитодвижущих сил (МДС) иссле- дуются электродинамические характеристики сис- тем из N узких ( )d   поперечных кольцевых щелей ширины d. Излучатели прорезаются на рас- стояниях zD друг относительно друга в бесконеч- но тонких и идеально проводящих экранах беско- нечных и полубесконечных коаксиальных линий с различными значениями радиусов внутренних и внешних проводников 1a и 2a соответственно (рис. 1). Область внутри фидера ( )i заполнена диэлектриком без потерь с диэлектрической про- ницаемостью .i Пространство вне фидера ( )e в общем случае заполнено неидеальным диэлек- триком с относительной диэлектрической прони- цаемостью .e Рассмотрим возбуждение и рассеяние элект- ромагнитных волн системой поперечных кольце- вых щелей, расположенных в экране коаксиаль- ной линии. Источники поля находятся внутри фидера. Щели, возбуждаемые этими источника- ми, излучают электромагнитные волны во внеш- нее пространство и изменяют поле в коаксиаль- ной линии. Для нахождения касательной состав- ляющей электрического вектора E  в щелях (или амплитудно-фазового распределения поля в рас- крыве антенны) воспользуемся условием непре- рывности магнитных составляющих поля на по- верхности щелей: 0{ } { } ,e iH E H E H         (1) где { },eH E   { }iH E   – поля, возбуждаемые щеля- ми в областях e и i соответственно, E  – иско-о- мая касательная составляющая электрического поля в раскрыве многощелевой антенны; 0H  – поле источников. Для решения уравнения (1) применим метод Галеркина, т. е. поле на поверхности системы щелей представим в виде ряда: 1 1 , N M ps ps s p E V E      (2) где psV – неизвестные комплексные амплитуды, s – номер щели, p – номер собственной функции отверстия; psE  – заданные на поверхностях ще- лей линейно-независимые вектор-функции, удов- летворяющие на контуре щели краевым усло- виям (собственные функции отверстия). После некоторых преобразований получим си- стему алгебраических уравнений относитель- но :psV , 1 1 , M N ps pq rs qr p s V Y F    (3) 1, 2, 3, ..., , 1, 2, 3, ..., ,q M r N  где M – количество аппроксимирующих вектор- функций; N – количество щелей; ,pq rsY  , , e i pq rs pq rsY Y – собственные при ,p q ,r s вза- имные по гармоникам при ,p q r s и взаим- ные по щелям при r s частичные проводимос- ти p-й и q-й гармоник функции распределения между r-й и s-й щелью: , d ,i i pq rs qs pr s Y E H E s          (4) , d ,e e pq rs qs pr s Y E H E s         0 dqr qrF E H s        (5) магнитодвижущая сила; d d ,s n s   n  – единичная нормаль к поверхности щели s, направленная внутрь области .eРис. 1. Геометрия системы 224 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 В. А. Катрич, В. А. Лященко, Н. В. Медведев Таким образом, для решения системы (3) и, следовательно, нахождения поля в раскрыве ан- тенны (2) необходимо определить в явном виде внутренние , i pq rsY и внешние , e pq rsY частичные про- водимости, а также магнитодвижущие силы .qrF В такой постановке задачи система попереч- ных щелей может возбуждаться любым типом волны (в том числе и высшим), который будет распространяться в коаксиальной линии. Основ- ная волна в коаксиальной линии (Т-волна) имеет симметричную структуру поля. Если система уз- ких кольцевых щелей возбуждается основной волной, тогда распределение поля вдоль одиноч- ной кольцевой щели будет постоянным [8]: 0 ,s z E d   здесь 0z  – единичный орт, направленный поперек щели. При таком выборе собственной функции коэф- фициент sV в (2) и (3) приобретает смысл ампли- туды напряжения на щели. Выражения, описывающие внутренние и вне- шние, собственные и взаимные проводимости щелевых излучателей, а также магнитодвижущие силы в случае как бесконечной, так и полубеско- нечной коаксиальных линий, в явном виде пред- ставлены в работах [8–10]. Определив собственные и взаимные проводи- мости щелевых излучателей (4) и магнитодвижу- щие силы (5) и решив систему уравнений (3), най- дем значения комплексных амплитуд поля на по- верхностях щелей ,sV т. е. амплитудно-фазовоее распределение в раскрыве антенны. Далее ис- следуем коэффициенты излучения 2 ,S отраже- ния 11S и диаграмму направленности системы излучателей ( )cF  (диаграмма одиночной щели не учитывалась) в плоскости E (плоскость, со- держащая ось антенны, причем угол  отсчиты- вается от нормали) согласно выражениям: 11 1 1 , 4 N s s s S V F     2 1 1 1 Re , 2 N N e r s rs r s S V V Y     sin 1 ( ) .s N jkz c s s F V e     Таким образом, представленная методика по- зволяет решить внутреннюю и внешнюю задачи коаксиально-щелевой антенной решетки. 3. Àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ При разработке любой антенной системы на коэф- фициенты излучения и отражения, а также на диаграмму направленности накладываются оп- ределенные требования, а именно: коэффициент излучения должен быть достаточно высоким (больше чем 0.8), а коэффициент отражения – минимально возможным. При этом диаграмма направленности антенной решетки должна иметь определенную ширину главного лепестка по уров- ню 0.707 и малый уровень боковых лепестков. Выполнение этих требований позволяет создать антенны с приемлемыми коэффициентом направ- ленного действия и коэффициентом усиления. С целью детального изучения процессов воз- буждения и рассеяния электромагнитных волн системой щелей в экране коаксиальной линии были исследованы электродинамические характерис- тики антенн в виде решеток узких поперечных кольцевых щелей, прорезанных в экранах коак- сиальных линий разных поперечных размеров. Относительные диэлектрические проницаемости i и e изменялись. Варьировались расстояния между излучателями .zD Изменение этих параметров антенной решет- ки позволяет создавать различные виды ампли- тудно-фазовых распределений, т. е. управлять формой диаграммы направленности в плоскости вектора .E  Отметим, что кольцевая щель не об- ладает направленностью в плоскости вектора .H  Коаксиальные линии с различными значения- ми радиусов 1a и 2a имеют различные погонные затухания  согласно выражению 2 1 2 2 1 1 0.1724 , lg a a a a a           где  – проводимость металла проводников коак- сиальной линии [11]. Видно, что с увеличением внешнего радиуса коаксиальной линии погонное затухание уменьшается и, следовательно, коэф- фициент усиления коаксиально-щелевой антенны будет увеличиваться. ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 225 Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии Все исследования энергетических коэффи- циентов и направленных свойств проводились в широком диапазоне длин волн. Параметры коаксиально-щелевых решеток 1 2( , , )i a a были взяты из литературных источников [4, 12]. Изучим характеристики многоэлементных коак- сиально-щелевых решеток на примере систем кольцевых щелей в экранах двух коаксиаль- ных линий с разными размерами: 1 2.5a  мм, 2 12a  мм (фидер 1) и 1 8a  мм, 2 20.65a  мм (фидер 2). Относительные диэлектрические проницае- мости диэлектриков, заполняющих внутренние и внешние объемы коаксиальных линий, были рав- ны 1.23,i  2 и 1.e  Количество щелей было равным 10, 20.N  Исследовались электродинамические характе- ристики нерезонансных и резонансных коаксиаль- ных щелевых антенных решеток. В первом слу- чае коаксиальная линия была нагружена на со- гласованную нагрузку, т. е. изучались характери- стики кольцевых щелей (с учетом всех видов взаимных связей по внутреннему и внешнему пространствам), расположенных в бесконечном фидере. Во втором, т. е. в резонансном режиме (постоянное фазовое распределение вдоль щеле- вой системы) изучались процессы излучения и рассеяния из системы щелей в полубесконечной коаксиальной линии. Подчеркнем, что предложенная в настоящей работе методика исследования характерис- тик антенн позволяет провести расчеты энерге- тических коэффициентов как с учетом всех видов взаимной связи между излучателями (внут- ренней и внешней), так и без них. К примеру, задача нахождения электродинамических характеристик антенных решеток без учета внешней взаимной связи существенно упрощается. На рис. 2 приведены некоторые результаты расчета коэффициентов излучения 2 ( )S f   (кривые 1 и 1 ), коэффициентов отражения 11 ( )S f  (кривые 2 и 2 ), амплитудно-фазовых распределений si s sV V e  и диаграмм нап- равленностей ( )cF  системы кольцевых щелей с 20,N  3d  мм, 40zD  мм, прорезанных в экране фидера 1. Сплошные кривые 1–3 соот- ветствуют зависимостям, рассчитанным с уче- том всех взаимных связей между излучателями, пунктирные кривые 1 3  – без учета внешнего взаимодействия. Диаграммы направленности и амплитудно-фазовые распределения были рассчи- Рис. 2. Энергетические характеристики (а), амплитудные (б) и фазовые (в) распределения и диаграммы направленности (г) для решетки кольцевых щелей 226 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 В. А. Катрич, В. А. Лященко, Н. В. Медведев таны при 70,  80, 85 мм (кривые 1(1 ) 3(3 )  соответственно на рис. 2, б, в, г). Из сравнения зависимостей, приведенных на рис. 2, видно, что внешняя взаимная связь слабо влияет на направленные свойства системы, но коэффициенты излучения и отражения существен- но отличаются в случаях с учетом и без учета внешней взаимной связи между излучателями, особенно в коротковолновой части представлен- ного диапазона. Амплитудные распределения в раскрыве антенны оказываются спадающими, но скорость убывания амплитуды поля вдоль системы значительно меньше, чем в случае ду- говых щелей [7], что сказывается на форме диаг- раммы направленности. Это связано с тем, что кольцевые щели в отличие от дуговых являются нерезонансными излучателями [8, 10]. Одиночная кольцевая щель имеет невысокий коэффициент излучения, однако его значение со- храняется в довольно широкой полосе длин волн. Управление рабочей полосой решетки кольцевых щелей целесообразно осуществлять выбором соответствующего расстояния между излуча- телями. На рис. 3 представлены результаты рас- чета энергетических характеристик, амплитуд- но-фазовых распределений и диаграмм направ- ленности для решеток кольцевых щелей с 20,N  6d  мм, 80zD  мм, расположенных в экране фидера 2. Параметром является относительная внутренняя диэлектрическая проницаемость, ко- торая равнялась 2i  (рис. 3, а, в, д, ж) и 1.23i  (рис. 3, б, г, е, з). Рабочий диапазон длин волн антенны, характеристики которой представ- лены на рис. 3, существенно сдвигается в длин- новолновую область по сравнению с рабочим диапазоном антенны, соответствующие характе- ристики которой приведены на рис. 2. При умень- шении i уменьшаются длины волн, при которых наблюдается “эффект нормали” (синфазное сло- жение волн, отраженных от щелей, внутри коак- сиальной линии), что приводит к смещению рабо- чей полосы в сторону коротких волн (рис. 3 а, б). В первом случае ( 2,i  рис. 3, в, д, ж) кривые 1–3 соответствуют длинам волн 120,  130, 140 мм, во втором случае ( 1.23,i  рис. 3, г, е, з) – 100,  110, 120 мм. С уменьшением i существенно снижаются максимальные значения коэффициента излучения 2 0.91 0.73S   (кри- вые 1 на рис. 3, а, б). Коэффициент излучения системы можно повысить путем увеличения ко- личества излучателей. При этом амплитудные распределения в обоих случаях носят спадаю- щий характер (рис. 3, в, г), что приводит к возра- станию боковых лепестков диаграммы направ- ленности (рис. 3, ж, з) по сравнению со случаем постоянного амплитудного распределения. На рис. 4 представлены энергетические ха- рактеристики (а), амплитудные (б), фазовые (в) распределения и диаграммы направленности (г) ре- шеток кольцевых щелей с параметрами 10,N  3d  мм, 40zD  мм в бесконечной и полубес-с- конечной коаксиальных линиях (фидер 1) с 2,i  1.e  На рис. 4, а кривые 1 и 3 представляют собой зависимости 2 ( )S f   для случаев рас- положения решетки излучателей в бесконечной и полубесконечной коаксиальных линиях соответ- ственно, кривая 2 – зависимость 11 ( ).S f  Рабочая полоса длин волн решетки щелей в бес- конечной коаксиальной линии по уровню 2 0.8S  равна 13 % (кривая 1) при центральной длине вол- ны 90  мм. На рис. 4, б, в представлены амплитудно-фазо- вые распределения поля в решетке для трех длин волн: 56.5  мм – кривая 1, 70  мм – кри- вая 2 и 85  мм – кривая 3. Видно, что при длине волны 56.5  мм как амплитудное, так и фазовое распределение (кривые 1) близки к по- стоянным (с несущественными отклонениями). То есть в данном случае решетка работает в резонансном режиме, что обуславливает нормаль- ное, по отношению к апертуре, положение главно- го луча диаграммы направленности (рис. 4, б, в, кривая 1) и наблюдаемое возрастание 11S – “эф- фект нормали” (рис. 4, а, кривая 2). При увеличе- нии длины волны амплитудное распределение в решетке изменяется от практически постоян- ного до спадающего с некоторыми осцилляция- ми (кривые 1–3). Фазовое распределение в свою очередь приобретает наклон, а в дальнейшем су- щественно искажается, как видно из рис. 4, в (кривые 1–3). Эти эффекты искажения амплитуд- но-фазового распределения обусловлены уси- ливающимся с ростом длины волны влиянием взаимной связи между щелевыми излучателями в решетке ( 0.47 0.7).zD    На рис. 4, г представлены диаграммы направ- ленности решетки для тех же длин волн. С изме- нением длины волны происходит качание глав- ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 227 Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии ного луча диаграммы направленности, однако сильно спадающее амплитудное распределение â ðàñêðûâå ðåø åòêè (ðèñ. 4, б,) кривые 2, 3) при- водит к “заплыванию” нулей и увеличению уровня боковых лепестков диаграммы направленности. Имеется также отличие в определении направ- ления главного максимума (до 13 %) и шири- ны главного луча диаграммы направленности (до 25 %) по сравнению с соответствующими ха- рактеристиками, рассчитанными по формулам, которые получаем при исследовании антенной ре- шетки без учета взаимных связей: Рис. 3. Энергетические характеристики (а, б), амплитудные (в, г) и фазовые (д, е) распределения и диаграммы направлен- ности (ж, з) для решеток кольцевых щелей. Кривые на панелях слева рассчитаны при значении 2,i  на панелях справа – 1.23i  в раскрыве решетки (рис. 4, ,б 228 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 В. А. Катрич, В. А. Лященко, Н. В. Медведев 2 sin ,z z n D kD     0 , coszND     где n – целое число,  и k – постоянные распрос- транения волн во внутренней и внешней областях фидера соответственно, 0 – направление глав- ного лепестка диаграммы направленности. Кривые 4 на рис. 4, б, в и г отражают соот- ветствующие характеристики резонансной ( 56.5  мм) решетки кольцевых щелей на базе полубесконечной коаксиальной линии с расстоя- нием от центра крайней щели до торцевой стенки 28shD  мм. Зависимость 2 ( )S f   для этого случая представлена на рис. 4, а (кривая 3). Коэффициент излучения 2 S существенно воз- растает как в рабочей области длин волн, так и при резонансе – 56.5  мм (кривая 3). Таким образом, правильным выбором расстояния shD удается увеличить коэффициенты возбужде- ния щелевых элементов, не меняя форму амп- литудно-фазового распределения (рис. 4, б, в, кривые 4), что обуславливает сохранение фор- мы диаграммы направленности щелевой решет- ки (рис. 4, г, кривая 4). Удается также осла- бить “эффект нормали”, 2 0.82,S  11 0.18,S  (рис. 4, а, кривая 3). 4. Âûâîäû Методом МДС решена задача возбуждения и рас- сеяния электромагнитных волн системой узких поперечных кольцевых щелей в экране коаксиаль- ной линии с учетом всех видов взаимодействий между излучателями по внутреннему и внешне- му пространствам. Исследованы коэффициенты излучения и отражения, амплитудно-фазовые рас- пределения и направленные свойства коаксиаль- но-щелевой решетки. Показано, что внешнее взаимодействие между кольцевыми щелями не оказывает существенного влияния на форму диаграммы направленности, но заметно уменьшает коэффициент излучения в ко- ротковолновой части используемого диапазона длин волн при заданных размерах антенной решетки. Проведено сравнение электродинамических характеристик щелевых антенн, состоящих из дуговых и кольцевых щелей в коаксиальной линии. Кольцевая щель является нерезонансным излучателем, поэтому при одинаковых условиях Рис. 4. Энергетические характеристики (а), амплитудные (б) и фазовые (в) распределения и диаграммы направленности (г) для решетки кольцевых щелей при 2,i  1e  ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 229 Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии возбуждения амплитуды поля в кольцевых ще- лях существенно меньше, чем в дуговых. Как следствие, при одинаковых электрических дли- нах антенных решеток у систем кольцевых ще- лей коэффициент излучения меньше, а коэффи- циент отражения больше, чем у аналогичной антенны в виде решетки дуговых щелей. С уве- личением радиусов проводников коаксиальной линии и увеличением расстояния между излуча- телями, т. е. при переходе в длинноволновую область, увеличивается коэффициент отражения. Скорость убывания амплитудного распределения вдоль системы кольцевых щелей меньше, чем вдоль системы дуговых. Следует подчеркнуть, что у решетки кольцевых щелей не наблюдает- ся “развал” диаграммы направленности в отли- чие от решетки дуговых щелей [9]. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Han Y. F., Yung K. N., Xie Z. M., and Chen R. S. Analysis and design of a coaxial slot antenna for mobile telecommu- nications // IEEE Antennas and Propagation Society In- ternational Symp.: Proc. Symp. – Orlando, FL, USA: IEEE. – 1999. – Vol. 4. – P. 2424–2426. DOI: 10.1109/ APS.1999.789299 02. Han Y. F., Yung K. N., Xie Z. M., and Chen R. S. Coaxial Multi-Slot Antenna Used for LEO-MSAT // IEEE Anten- nas and Propagation Society International Symp.: Proc. Symp. – Orlando, FL, USA: IEEE. – 1999. – Vol. 4. – P. 2420–2423. DOI: 10.1109/ APS.1999.789298 03. Inomata K., Yamaguchi Y., Yamada. H., Tsujita W., Shi- kai M., and Sumi K. Accuracy of 2-Dimensional Object Location Estimation Using Leaky Coaxial Cables // IEEE Trans. Antennas Propag. – 2011. – Vol. 59, Is. 6. – P. 2396–2403. DOI: 10.1109/TAP.2011.2143661 04. Kim D. H. and Eom H. J. Radiation of Leaky Coaxial Cable with Narrow Transverse Slots // IEEE Trans. Anten- nas Propag. – 2007. – Vol. 55, Is. 1. – P. 107–110. DOI: 10.1109/TAP.2006.888414 05. Єлізаренко А. О. Впровадження дводіапазонних мереж технологічного радіозв’язку в тунелях залізниць // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транс- порті. – 2014. – № 4. – C. 42–47. 06. Rubio M., Hernandez A., Salas L., Navarro E., and Avila- Navarro E. Coaxial Slot Antenna Design for Microwave Hyperthermia Using Finite-Difference Time Domain and Element Method // Open Nanomedicine J. – 2011. – Vol. 3. – P. 2–9. DOI: 10.2174/1875933501103010002 07. Катрич В. А., Лященко В. А., Медведев Н. В. Много- элементные системы дуговых щелей в экране коак- сиальной линии // Радиофизика и радиоастрономия. – 2016. – Т. 21, № 4. – С. 298–310. DOI: 10.15407/ rpra21.04.298 08. Катрич В. А., Лященко В. А., Медведев Н. В. Коак- сиально-щелевой излучатель // Радиотехника: Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – Харьков: ХНУРЭ, 2010. – Вып. 163. – С. 183–190. 09. Катрич В. А., Лященко В. А., Медведев Н. В. Излучение из системы щелей в экране коаксиальной линии // Радиофизика и радиоастрономия. – 2012. – Т. 17, № 2. – С. 146–156. 10. Катрич В. А., Лященко В. А., Медведев Н. В. Щелевой излучатель в коаксиальной линии // Радіофізика та елек- троніка. – 2010. – Т. 15, № 1. – С. 7–16. 11. Фельдштейн А. Л., Явич Л. Р., Смирнов В. П. Справоч- ник по элементам волноводной техники. – М.: Советс- кое радио. – 1967. – 651 с. 12. Wang J. H. and Mei K. K. Theory and Analysis of Leaky Coaxial Cables With Periodic Slots // IEEE Trans. Anten- nas Propag. – 2001. – Vol. 49, Is. 12. – P. 1723–1732. DOI: 10.1109/8.982452 REFERENCES 01. HAN, Y. F., YUNG, K. N., XIE, Z. M. and CHEN, R. S., 1999. Analysis and Design of a Coaxial Slot Antenna for Mobile Telecommunications. In: IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings. Orlando, FL, USA: IEEE, vol. 4, pp. 2424–2426. DOI: 10.1109/APS.1999.789299 02. HAN, Y. F., YUNG, K. N., XIE, Z. M. and CHEN. R. S., 1999. Coaxial Multi-Slot Antenna Used for LEO-MSAT. In: IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium Proceedings. Orlando, FL, USA: IEEE, vol. 4, pp. 2420–2423. DOI: 10.1109/APS.1999.789298 03. INOMATA, K., YAMAGUCHI, Y., YAMADA, H., TSUJITA, W., SHIKAI, M. and SUMI, K., 2011. Accura- cy of 2-Dimensional Object Location Estimation Using Leaky Coaxial Cables. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 59, is. 6, pp. 2396–2403. DOI: 10.1109/ TAP. 2011.2143661 04. KIM, D. H. and EOM, H. J., 2007. Radiation of Leaky Coaxial Cable with Narrow Transverse Slots. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 55, is. 1, pp. 107–110. DOI: 10.1109/TAP.2006.888414 05. YELIZARENKO, A., 2014. Introduction of Dual-Band Networks of Technological Radio Communication in Rail- way Tunnels. Informatsijno-keruyuchi systemy na zali- znychnomu transporti. no 4, pp. 42–47 (in Ukrainian). 06. RUBIO, M., HERNANDEZ, A., SALAS, L., NAVAR- RO, E. and AVILA-NAVARRO, E., 2011. Coaxial Slot Antenna Design for Microwave Hyperthermia Using Fi- nite-Difference Time Domain and Element Method. Open Nanomedicine J. vol. 3, pp. 2–9. DOI: 10.2174/ 1875933501103010002 07. KATRICH, V. A., LYASHCHENKO, V. A. and MED- VEDEV, N. V., 2016. Multielement Systems of Arc Slots in a Coaxial Line Screen. Radio Phys. Radio Astron. vol. 21, is. 4, pp. 298–310 (in Russian). DOI: 10.15407/rpra21. 04.298 08. KATRICH, V. A., LYASHCHENKO, V. A. and MED- VEDEV, N. V., 2010. Coaxial-Slot Radiator. In: Radiotekh- nika: All-Ukr. Sci. Indep. Mag. Kharkiv, Ukraine: KhNURE Publ. vol. 163, pp. 183–190 (in Russian). 09. KATRICH, V. A., LYASHCHENKO, V. A. and MED- VEDEV, N. V., 2012. Radiation from a Slot Array in a Coaxial Line Screen. Radio Phys. Radio Astron. vol. 3, is. 4, pp. 325–335. DOI: 10.1615/RadioPhysicsRadioAs- tronomy.v3.i4.60 230 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 22, № 3, 2017 В. А. Катрич, В. А. Лященко, Н. В. Медведев 10. KATRICH, V. A., LYASHCHENKO, V. A. and MED- VEDEV, N. V., 2011. A Slot Radiator in a Coaxial Line. Telecom. Radio Eng. vol. 70, is. 5, pp. 395–411. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v70.i5.20 11. FELDSTEIN, A. L., YAVICH, L. R. and SMIRNOV, V. P., 1967. Handbook on waveguide technology elements. Mos- kow, Russia: Sovetskoe Radio Publ. (in Russian). 12. WANG, J. H. and MEI, K. K. 2001. Theory and Analysis of Leaky Coaxial Cables With Periodic Slots. IEEE Trans. Antennas Propag. vol. 49, is. 12, pp. 1723–1732. DOI: 10.1109/8.982452 V. A. Katrich, V. A. Lyashchenko, and N. V. Medvedev V. N. Kazarin Kharkiv National University, 4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine MULTIELEMENT SYSTEMS OF CIRCUMFERENTIAL SLOTS ON A COAXIAL LINE SCREEN Purpose: The electrodynamic characteristics of circumferential slot arrays on a coaxial line shield and the ways of their control by changing the feeder, array geometrical parameters and elec- trophysical parameters of internal and external spaces are being studied. Design/methodology/approach: The problem of electromagne- tic wave excitation and radiation by the circumferential slot sys- tems in the infinitely thin and perfectly conducting shield of a coaxial line is solving by the magnetomotive forces method with the following creation of a multiparameter numerical model of a multielement antenna array. Findings: The energy characteristics, amplitude and phase dis- tributions and radiation patterns of the circumferential slot sys- tems cut in the shield of infinite and semi-infinite coaxial lines are examined with and without accounting for the external inter- connection between radiators for different antenna parameters. Conclusions: The investigations of electrodynamic characteris- tics of circumferential slot systems in a coaxial line shield have shown a low influence of the external interconnection between radiators on the directional characteristics and a significant in- fluence on the antenna energy characteristics. Also, the main differences between the properties of circumferential and arc slot systems have been noticed. Key words: coaxial line, circumferential slot, directivity pattern, amplitude and phase distribution, radiation coefficient, reflec- tion coefficient, interconnection В. О. Катрич, В. О. Лященко, М. В. Медвєдєв Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, м. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна БАГАТОЕЛЕМЕНТНІ СИСТЕМИ КІЛЬЦЕВИХ ЩІЛИН В ЕКРАНІ КОАКСІАЛЬНОЇ ЛІНІЇ Предмет і мета роботи: Досліджуються електродинамічні характеристики решіток кільцевих щілин у екрані коаксіаль- ної лінії та способи керування ними шляхом зміни геомет- ричних параметрів фідеру, решітки та електрофізичних параметрів внутрішнього й зовнішнього просторів. Методи та методологія: Задача збудження і випроміню- вання електромагнітних хвиль системою кільцевих щілин у нескінченно тонкому й ідеально провідному екрані коак- сіальної лінії розв’язується методом магніторушійних сил з подальшим створенням багатопараметричної числової мо- делі багатоелементної антенної решітки. Результати: Досліджено енергетичні характеристики, амп- літудно-фазові розподіли і діаграми спрямованості систем кільцевих щілин, розташованих в екрані нескінченних та на- півнескінченних коаксіальних ліній з урахуванням та без ура- хування зовнішніх взаємних зв’язків між випромінювачами для різноманітних параметрів антени. Висновки: Виконані дослідження електродинамічних харак- теристик решіток кільцевих щілин у екрані коаксіальної лінії показали слабкий вплив зовнішніх взаємних зв’язків між вип- ромінювачами на властивості спрямованості антени та істот- ний вплив на її енергетичні характеристики. Показано відмінності характеристик системи кільцевих щілин від сис- теми дугових щілин. Ключові слова: коаксіальна лінія, кільцева щілина, діаграма спрямованості, амплітудно-фазовий розподіл, коефіцієнт випромінювання, коефіцієнт відбиття, взаємні зв’язки Статья поступила в редакцию 13.07.2017

Многоэлементные системы кольцевых щелей в экране коаксиальной линии

Репозитарії

Схожі ресурси