Исследование поляризационных характеристик антенны на основе подмагниченного гиромагнитного резонатора с различными типами объемных резонаторов

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 избирательно сть; 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 координат представляет собой кольцо магнитного тока по боковой кромке ОР с плотностью fjM п" =И-11м(фЖр-аЖг-^Ф0, где h – высота ОР ; а – радиус ОР ; δ – дельта функция Дирака; Ф(<9) = е 19 . Магнитный ток Iм ^ через электрическое поле Eq по кромке ОР, находится по формуле [1-2]

откуда амплитудную характеристику диаграммы направленности можно представить следующей формулой:

|Mp)|

и

<9=0

= 2 к'(<+

ли w

-2

■ cos²(9>. (3)

Iм (<р) = 2.ИЕ^Ф((р) = 1^ф(фУ

Рис . 1. Антенна на основе подмагниченного ГР: 1 – экран; 2 – ГР; 3 – стальной диск; 4 – плоский диэлектрический цилиндрический резонатор ; 5 – стальной корпус; 6 – магнитопровод; 7 – вкладыш из магнитодиэлектрика; 8 – подмагничивающая катушка с проводом

В формуле (3) введены следующие обозначения: \е\ = 4Ё^Ё^, Е<е,дЛ – амплитудная диаграмма направленности; w = ка sin 0 ; J_;(w) – 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

Исходным уравнением для нахождения поля излучения является уравнение Гельмгольца для магнитного потенциала:

^Ам ^гкЧм =-rjM, где к= 2^/2 – волновое число в вакууме. Решением уравнения Гельмгольца является следующее выражение

А^м (г) = — J^——^" WV, (1) Ал», R(r,r)

выражения для составляющих электрического поля, найденные по формуле (1), в сферической системе координат (г, в, ) [1-2], записываются в виде:

E^-i^JAwK^;

E^-^We-^^е,

Из рис. 2 видно, что в азимутальной плоскости (по (р ) 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 КО,<ру.

h(e,

где ^he ^и К – поперечные составляющие вектора поляризации h<0^ в дальней зоне.

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:

Х = Х*1Х =-^’ Ед подставляя значения составляющих электрического поля по формулам (2), получим wJ, (w)cos0

у = l-------:-----------•

J A w)

Рис. 3. Экспериментальная поляризационная характеристика антенны на основе ГР

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

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. 6 а ; 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.

точки приема сигнала.

Рис. 5. Изменения эллипса излучения от угла наблюдения

Рис. 7. Блок-схема измерения характеристик антенны: 1 – генератор СВЧ (Г4-83); 2-короткозамкнутый прямоугольный волновод; 3- ГР в запредельном круглом отверстии волновода; 4 – магнит; 5 – изучаемый ОР ; 6 – 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.