Двухмерная осесимметричная модель конической рупорной антенны

Fanny Griesmer 04/09/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Ранее мы писали о том, как вы можете сэкономить время, используя условия симметрии, антисимметрии, а также периодические граничные условия в ваших электромагнитных моделях. Сегодня мы продемонстрируем модель, которая использует преимущества осевой симметрии — модель конической рупорной антенны.

Экономьте время, используя двухмерную осесимметричную модель

Несмотря на то, что можно создать и решить трехмерную модель конической рупорной антенны, решение такой модели потребует сравнительно много вычислительных ресурсов. Мы можем найти решение для электромагнитного поля гораздо быстрее, используя симметрию конструкции. Так как мы имеем дело с конусом, модель конструкции симметрична относительно своей оси, то есть обладает осевой симметрией.

С другой стороны, хотя конструкция и осесимметрична, электромагнитные поля будут изменяться по азимуту оси, то есть будет иметь место азимутальная вариация этих полей. Модули Радиочастоты и Волновая оптика позволяют моделировать осесимметричные конструкции с различными индексами азимутальных мод.

Мы можем использовать этот функционал. Построив двухмерную осесимметричную модель и найдя решения для различных индексов азимутальных мод, мы получим модель, которая решается намного быстрее и менее требовательна к памяти, чем полная трехмерная модель. Звучит прекрасно, но сначала расскажем кое-что о рупорных антеннах.

Общие замечания о рупорных антеннах

Существуют различные виды рупорных антенн, отличающиеся общей формой и внутренней конструкцией. Эти свойства определяют распределение интенсивности в пучке, ширину полосы частот и кросс-поляризацию антенны.

Кросс-поляризация означает, что электромагнитные поля поляризованы в направлении, не соответствующем целевому. К примеру, мы бы хотели добиться вертикальной поляризации полей, а получили вместо этого горизонтальную поляризацию.

Раструб антенны соединяется с волноводом, по которому электромагнитные волны передаются к антенне. Форма рупора определяет назначение антенны. Например, секторные рупоры (b и c на рисунке ниже) обычно используются для антенн РЛС.

Horn antenna types Двухмерная осесимметричная модель конической рупорной антенны
Существуют следующие формы рупоров: а) пирамидальный, б) секторный в плоскости E, в) секторный в плоскости H, г) конический, д) экспоненциальный. Четворно (Chetvorno), "Horn antenna types" («Виды рупорных антенн»), собственная работа. На условиях лицензии Creative Commons CC0 1.0 Универсальной передачи в общественное достояние, материал из Викисклада.

Модель гофрированной конической рупорной антенны

В нашем случае антенна имеет форму конуса (d на рисунке выше) и внутреннюю гофрированную поверхность. Это гофрированная коническая рупорная антенна с круглым волноводом. Волновод передает возбужденную поперечную электрическую моду (ТЕ) через гофрированный раструб, который, в свою очередь, создает поперечную магнитную моду (ТМ). Благодаря гофрированной поверхности конуса моды смешиваются, что приводит к уменьшению кросс-поляризации на апертуре по сравнению с исходной возбужденной электрической поперечной модой.

conical horn antenna Двухмерная осесимметричная модель конической рупорной антенны
Коническая рупорная антенна: Трехмерная визуализация двухмерной осесимметричной модели. Волновод подает на антенну моду TE1m (m = ±1), которая при распространении вдоль антенны смешивается с модой TM1m.

Выше мы упоминали, что такое кросс-поляризация, но почему мы хотим ее ослабить? В случае высокой кросс-поляризации сигнал может интерферировать с другими близкими каналами, если они имеют чередующуюся вертикальную и горизонтальную поляризацию. Такая интерференция нежелательна.

Изучение кросс-поляризации в рупорной антенне

Мы можем создать модель для изучения кросс-поляризации с помощью COMSOL Multiphysics и модуля Радиочастоты. Как мы узнали ранее, мы можем сэкономить время, решая эту задачу как двухмерную осесимметричную, а не трехмерную. Для этого мы используем интерфейс Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, частотная область).

Мы пропустим пошаговую настройку модели и перейдем к самому интересному — результатам. Если вы хотите воспроизвести приведенные здесь графики, скачайте документацию к модели и mph-файл из Галереи моделей.

Во-первых, мы можем увидеть диаграмму направленности излучения антенны:

horn antennas directive beam pattern Двухмерная осесимметричная модель конической рупорной антенны
График в дальней зоне: Диаграмма направленности излучения антенны.

Далее, мы можем изучить электрическое поле на входе и выходе из антенны. Решая модель для m = +1 и для m = −1, мы можем сравнить линейную поляризацию в направлениях осей x и y на выходе.

corrugated circular horn antenna electric fields Двухмерная осесимметричная модель конической рупорной антенны
Электрическое поле на входе и выходе антенны для линейной суперпозиции m = +1 и m = −1.

На входе волновода поле преимущественно направлено вдоль оси x, но не поляризовано линейно. На апертуре, наоборот, поле практически полностью линейно поляризовано. Чтобы количественно оценить поляризацию в обоих направлениях, мы можем вычислить интеграл абсолютного значения каждой составляющей поля по входу и выходу конической рупорной антенны. Таким образом мы устанавливаем, что отношение поляризаций равно примерно 5:1 на входе и примерно 40:1 на выходе. Другими словами, мы снизили кросс-поляризацию примерно в восемь раз.

Рекомендуемые ресурсы


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги