Диссертация (Численное электродинамическое моделирование электрически малых антенн и элементарных излучателей), страница 12

рис. 3.15). А для частот больших 120 ГГц значениеуказаннойразвязкиснижается,крометогопосле150ГГцстановятсяраспространяющимися волноводные моды, и, поэтому, поведение коэффициентапрохождения для внешнего куба Сестрорецкого не совпадает с поведениемкоэффициента прохождения для ВПКССВ.103Частотные характеристики фазы  коэффициентов прохождения из 2 входана входы 3, 4, 5, 6 для внешнего куба Сестрорецкого приведем на рис. 3.24.

Длясравнения на данном рисунке приведены также частотные характеристикизависимостей фазы  коэффициентов прохождения из входа 2 на входы 3, 4 дляВПКССВ. В силу симметрии геометрии внешнего куба Сестрорецкого фазыкоэффициентов прохождения сигнала из второго входа на входы 3, 4, 5, 6 равны навсех частотах, что и видно из рис. 3.24.Рис. 3.24. Частотные характеристики фазы (в градусах) коэффициентовпрохождения из второго входа: кривая 1 – на 3, 4, 5, 6 входы (внешний кубСестрорецкого), кривая 2 – на 3 и 4 входы (ВПКССВ).Как мы видим до частоты 120 ГГц (размер ребра внешнего кубаСестрорецкого соответствует 2/5 длины волны), значение фазы коэффициентапрохождениядлявнешнегокубаСестрорецкогоравнозначениюфазыкоэффициента прохождения ВПКССВ.

В отличии от модуля коэффициентапрохождениязначениефазыкоэффициентапрохожденияявляетсяболеечувствительным к величине развязки. Фазы коэффициентов прохождения дляВПКССВ и внешнего куба Сестрорецкого ведут себя практически одинаково,линейно уменьшаясь практически от 0 градусов на частоте 1 ГГц до -133 градусовна частоте 120 ГГц. Далее после частоты 150 ГГц (размер ребра внешнего куба104Сестрорецкого соответствует половине длины волны) видны их существенныеразличия.На рис. 3.25 показаны частотные характеристики времени задержкипрохождения сигнала t из 2 входа на входы 3, 4, 5, 6 внешнего куба Сестрорецкого.Для сравнения на данном рисунке приведены также частотные характеристикивремени задержки прохождения сигнала t из входа 2 на входы 3, 4 для ВПКССВ.Рис.

3.25. Частотные характеристики времени задержки прохождения сигналаиз второго входа: кривая 1 – на 3, 4, 5, 6 входы (внешний куб Сестрорецкого),кривая 2 – на 3 и 4 входы (ВПКССВ).Как видно из рис. 3.25, для входов 3, 4, 5, 6 время задержки составляет-2.84 пс для частоты 1 ГГц. На частоте 150 ГГц (размер ребра внешнего кубаСестрорецкого соответствует половине длины волны) и на частоте 250 ГГц видныхарактерные резонансы времени задержки.Как мы видим из рис.

3.25, частотная характеристика времени задержкиполного внешнего куба Сестрорецкого и ВПКССВ существенно отличаются. Это,по-видимому, связано со значительной величиной развязки между 2, 5 и 6 входамиВПКССВ (см. рис. 3.15). Значения развязки становится меньшим -25 дБ уже вышечастоты 10 ГГц, а затем падает до -17 дБ на частоте 50 ГГц, причем далее вновьувеличивается до -22.5 дБ на частоте 125 ГГц. Такое частотное поведение развязки и105приводит к существенному различию в поведении частотной зависимости временизадержки сигнала для полного внешнего куба Сестрорецкого.

Поскольку времязадержки является производной от значения фазы прошедшего сигнала. Такая малаяразвязка связана с тем, что входы внешнего куба Сестрорецкого имеют длину h =0.05 мм (см. рис. 3.1).Представляетинтересчастотнаязависимостьотношениемощности,излученной в открытое пространство, к мощности волны, падающей на второй вход,Lизл , и может быть вычислена с использованием следующего соотношения:Lизл ( дБ)  10 lg(1  ( S21  S 22  S23  S 24  S 25  S 26 )),222222где S21 , S22 , S23 , S24 , S25 , S26222222(3.3)- квадраты модулей элементов матрицырассеяния внешнего куба Сестрорецкого, рассчитанные с помощью программыANSYS HFSS v.15.Отношение мощности, неизлученной в открытое пространство, к мощностиволны, падающей на второй вход, Lнеизл , может быть вычисленна с использованиемследующего соотношения:Lнеизл ( дБ)  10 lg( S21  S22  S23  S24  S25  S26 ),222222где S21 , S22 , S23 , S24 , S25 , S26222222(3.4)- квадраты модулей элементов матрицырассеяния внешнего куба Сестрорецкого, рассчитанные с помощью программыANSYS HFSS v.15.На рис.

3.26 изобразим графики зависимостей Lизл и Lнеизл от частоты длявнешнего куба Сестрорецкого (кривая 1, 2) и внешнего куба Гюйгенса (кривая 3, 4).106Рис. 3.26. Сравнение частотных характеристик Lизл и Lнеизл для внешнего кубаСестрорецкого (кривая 1, 2) и внешнего куба Гюйгенса (кривая 3, 4).Как видно из графика, приведенного на рис. 3.26, до частоты 17 ГГц Lизлвнешнего куба Сестрорецкого (кривая 1) не определено, поскольку значение Lизлменьше нуля.

Это связано с неточностью расчетов на программе ANSYS HFSS v.15[12]. Начиная с частоты 17 ГГц значение Lизл внешнего куба Сестрорецкого (кривая1) увеличивается с -30.4 дБ до -3 дБ на частоте 66 ГГц. На частоте 113.5 ГГцчастотные характеристики Lизл внешнего куба Сестрорецкого (кривая 1) и внешнегокуба Гюйгенса (кривая 3) пересекаются, и их значение равняется -1.09 дБ. Далее дочастоты 300 ГГц частотная характеристика Lизл внешнего куба Сестрорецкого(кривая 1) стремится к 0 дБ. Как видно из рис. 3.26 потери энергии на излучение длявнешнего куба Сестрорецкого (кривая 1) больше, чем потери энергии на излучениедля внешнего куба Гюйгенса (кривая 3) до частоты 113.5 ГГц. Однако, для частотбольше 113.5 ГГц потери энергии на излучение для внешнего куба Сестрорецкого(кривая 1) незначительно меньше, чем потери энергии на излучение для внешнегокуба Гюйгенса (кривая 3).107Как видно из рис. 5.28 для низких частот энергия возвращается во внешнийкуб Сестрорецкого (кривая 2) практически полностью.

При увеличении частотывозвращаемая энергия падает. На частоте 66 ГГц мощность, возвращаемая вовнешний куб Сестрорецкого, равняется мощности излучаемой во внешнеепространство, что соответствует Lизл  Lнеизл  3 дБ. Отметим, что для внешнегокубаГюйгенсачастота,накоторойпроисходитпересечениячастотныхзависимостей Lизл и Lнеизл происходит на частоте 58.3 ГГц (рис. 3.26).На рис.

3.27 приведены графики частотной зависимости коэффициентаусиления для внешнего куба Сестрорецкого со стороной ребра воздушного куба Bравного 5 мм (кривая 1), теоретический коэффициент усиления раскрыва от частоты(кривая 2) и теоретические пределы коэффициентов усилений для добротностиравной единице при возбуждении первой моды (кривая 3) и при возбуждениипервой и высших распространяющихся мод сферических гармоник для сферырадиуса3 мм (кривая 4), описанные в работе [21].Рассмотримсмоделированную(кривая1)частотнуюхарактеристикукоэффициента усиления K у для внешнего куба Сестрорецкого.

Как видно изграфика, начиная с частоты 1 ГГц (1/300 длины волны) K у увеличивается от -67.26дБ до -27.29 дБ на частоте 10 ГГц (1/30 длины волны). При дальнейшем увеличениичастоты K у увеличивается до -15.31 дБ на 20 ГГц. На частоте 35 ГГц K у составляет-5.79 дБ.

На частоте 40 ГГц K у составляет -3.68 дБ. На частоте 55 ГГц K усоставляет 0.03 дБ. С дальнейшим увеличением частоты K у увеличивается дозначения 3.1 дБ на частоте 85 ГГц. Далее K у растет до значения 8.9 дБ на частоте210 ГГц. Далее значение K у плавно увеличивается до значения 11.82 дБ на частоте300 ГГц (одна длины волны).В качестве теоретического предела для графика коэффициента усиления отчастоты, возьмем следующее соотношение:108K у ( дБ)  k  20 lg f ' ,(3.5) 410 4   38.55дБ  K у ( дБ) при f '  1 ГГц.где k  10 lg 9Зависимость, соответствующая выражению (3.5), для K у изображена на рис.3.27 кривой 2.Рис. 3.27. Частотная зависимость коэффициента усиления для внешнего кубаСестрорецкого со стороной ребра воздушного куба B равного 5 мм (кривая 1),теоретический коэффициент усиления раскрыва от частоты (кривая 2) итеоретические пределы коэффициентов усиления для добротности равной единицепри возбуждении первой моды (кривая 3) и при возбуждении первой и высшихраспространяющихся мод сферических гармоник для сферы диаметром(кривая 4).3 мм1093.8 Внешний куб Сестрорецкого как частотный диплексер и делитель начетыре1.

Для частот от 1 до 16 ГГц и от 150 до 300 ГГц КСВ по второму входу непревышает значения 1.25 (см. рис. 3.12) Для частот от 16 до 150 ГГц значение КСВне превышает 2.25. Соответствующий график частотной зависимости коэффициентаотражения в дБ показан на рис. 3.13, из которого видно, что модуль коэффициентаотражения не превышает значения -20 дБ для частот меньших 14.4 ГГц и больших151.67 ГГц.2. Частотные зависимости коэффициентов прохождения со входа 2 на входы 3,4, 5, 6 L23 , L24 , L25 , L26 , соответственно, внешнего куба Сестрорецкого таковы (см.рис. 3.23):- на частоте 1 ГГц значения L23 , L24 , L25 , L26 равняются -6.02 дБ,- при увеличении частоты, значения L23 , L24 , L25 , L26 монотонно убывают дозначения -14 дБ на частоте 120 ГГц,- в области 150 ГГц значения L23 , L24 , L25 , L26 имеют резонансный характер,- от частоты 155 ГГц значения L23 , L24 , L25 , L26 монотонно убывают дозначения -34.7 дБ на частоте 290 ГГц,- в районе 300 ГГц частотная зависимость коэффициентов прохождения сноваприобретает резонансный характер.3.

Частотная зависимость отношение мощности, излученной в открытоепространство, к мощности волны, падающей на второй вход, Lизл , имеет следующийвид (см. рис. 3.26):- для частот меньших 42 ГГц Lизл меньше -3 дБ- для частот больших 42 ГГц Lизл больше -3 дБ.Совместное выполнение указанных выше условий 1, 2 и 3 позволяетрассматривать внешний куб Сестрорецкого как частотный диплексер и делитель начетыре [18, 21, 22].110ИзпредставленныхвышечастотныххарактеристиквнешнегокубаСестрорецкого можно сделать следующие выводы:1.