Диссертация (Численное электродинамическое моделирование электрически малых антенн и элементарных излучателей), страница 9

Частотная зависимость отношения мощности, излученное в открытоепространство, к мощности волны, падающей на первый вход, Lизл , излученное всвободное пространство, имеет следующий вид: для частот, меньших 55 ГГц,73значение Lизл , излученной в свободное пространство, меньше -3 дБ, а для частот,больших 55 ГГц, значение Lизл , излученной в свободное пространство, больше -3дБ.Совместное выполнение указанных выше условий 1, 2 и 3 позволяетрассматривать внешний куб Гюйгенса как частотный диплексер [18, 21, 22].2.8 Результаты моделирования диаграмм направленностей внешнего кубаГюйгенсаПриведем характеристики 3D-диаграмм направленностей для входов 1 и 2внешнего куба Гюйгенса на частоте 1 ГГц.При возбуждении входа 1 внешнего куба Гюйгенса на частоте 1 ГГц (рис.2.38) диаграмма направленности имеет форму кардиоиды, максимум излучениякоторой направлен против оси z.

Однако уровень максимума составляет -62 дБ.Основная энергия на частоте 1 ГГц поглощается на входе 2 [15]. Это можно назватьпарадоксом внешнего куба Гюйгенса, который заключается в том, что дляквазистатического случая направление максимума диаграммы направленности инаправлениедвиженияосновногопотокаэнергиипротивоположны.Вдействительности парадокса здесь нет, потому что диаграмма направленностиявляется характеристикой излучения электромагнитных полей в дальней зоне, аэнергию передают на частоте 1 ГГц для данного размера внешнего куба Гюйгенса1×1×1 мм ближние поля.Рис.

2.38. 3D-диаграмма направленности при возбуждении входа 1 внешнегокуба Гюйгенса на частоте 1 ГГц.74Рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности при синфазном иравноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2. Диаграмма направленности приэтом имеет вид, изображенный на рис.

2.39.Рис. 2.39. 3D-диаграмма направленности при синфазном равноамплитудномвозбуждении входа 1 и входа 2 внешнего куба Гюйгенса на частоте 1 ГГц.Диаграмма направленности для данного случая возбуждения представляетсобой тороид с осью вдоль оси х. Это ожидаемый вид диаграммы направленности,поскольку если изобразить эквивалентные поверхностные электрические имагнитные токи при таком возбуждении, то они будут выглядеть так, как показанона рис. 2.40.Рис. 2.40. Направление векторов плотностей поверхностных электрических J эи магнитных J м токов при синфазном возбуждении для падающих волн на входы 1и 2 куба А.75Отсюда видно, что векторы эквивалентных поверхностных электрическихтоков противонаправлены. Поскольку они имеют одинаковую амплитуду ирасположены на расстоянии 1/300 длины волны на частоте 1 ГГц, они практическиполностью компенсируют друг друга.

Векторы же плотностей поверхностныхмагнитных токов сонаправлены. Они также имеют одинаковые амплитуды ирасположены на расстоянии 1/300 длины волны на частоте 1 ГГц. Практическитакое возбуждение эквивалентно поверхностному магнитному току, векторплотности которого имеет в два раза большую амплитуду по сравнению самплитудами на входе 1 и входе 2. Такое возбуждение эквивалентно магнитномудиполю, направленному против оси х.Теперь рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности припротивофазном и равноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2.

Диаграмманаправленности при этом будет выглядеть так, как показано на рис. 2.41.Рис. 2.41. 3D-диаграмма направленности при противофазномравноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2 внешнего куба Гюйгенса начастоте 1 ГГц.Диаграмма направленности для данного случая возбуждения представляетсобой тороид с осью вдоль оси у. Это ожидаемый вид диаграммы направленности,поскольку если изобразить эквивалентные поверхностные электрические и76магнитные токи при таком возбуждении, они будут выглядеть так, как показано нарис. 2.42.Рис. 2.42. Направление векторов плотностей поверхностных электрических J эи магнитных J м токов при противофазном возбуждаении для падающих волн навходы 1 и 2 куба А.Отсюда видно, что векторы эквивалентных поверхностных магнитных токовпротивонаправлены.

Поскольку они имеют одинаковую амплитуду и расположенына расстоянии 1/300 длины волны на частоте 1 ГГц, они практически полностьюкомпенсируют друг друга. Векторы же плотностей поверхностных электрическихтоков сонаправлены. Они также имеют одинаковые амплитуды и расположены нарасстоянии 1/300 длины волны на частоте 1 ГГц. Практически такое возбуждениеэквивалентно поверхностному электрическому току, вектор плотности которогоимеет в два раза большую амплитуду по сравнению с амплитудами на входе 1 ивходе 2. Такое возбуждение эквивалентно электрическому диполю, направленномупо оси у.Обычно элемент Гюйгенса представляют как суперпозицию электрического имагнитного диполей [13, 17, 23-26].

Выше был представлен другой взгляд навозможность моделирования элементарных излучателей, когда электрический имагнитный диполь представляются в виде суперпозиции возбуждений входов кубаГюйгенса.77Из представленных выше результатов следует, что электрический имагнитныйдипольпредставляютсобойсуперпозициюсинфазногоипротивофазного возбуждения куба Гюйгенса, т.е. в ближней зоне возбуждаются спомощью стоячей волны.Еще раз подчеркнем, что приведенные выше диаграммы направленностейявляются примером представления уже электрического и магнитного диполей ввиде суперпозиции возбуждения входов внешнего куба Гюйгенса.

Из данныхрассуждений становится понятным, почему в случае малых электрических размеровдиполей величина отраженного сигнала является достаточно большой, а доляизлученной энергии - крайне незначительной. Отраженная энергия для входов 1 и 2при синфазном (противофазном) возбуждении – это в действительности прошедшаяволна с входов 2 и 1 соответственно.Следует отметить, что уровень коэффициента усиления при синфазном ипротивофазном возбуждении одновременно двух входов следовало бы ожидатьодинаковым. Однако он разный: -64 дБ при противофазном возбуждении (см. рис.2.41) и -66 дБ при синфазном возбуждении (см.

рис. 2.39).Приведемхарактеристикидиаграммнаправленностейприразличныхвариантах возбуждения входов внешнего куба Гюйгенса на частоте 150 ГГц, чтосоответствует размеру ребра внешнего куба Гюйгенса – половине длины волны.При возбуждении входа 1 внешнего куба Гюйгенса на частоте 150 ГГцдиаграмма направленности имеет вид, изображенный на рис. 2.43.

Максимумизлучения направлен против оси z. Уровень максимума составляет 6.44 дБ. Приэтом энергия, поглощаемая на входе 2, составляет -14.5 дБ от энергии, подаваемойна вход 1. В отличие от частоты 1 ГГц, потери энергии на излучение составляют 0.48 дБ.78Рис. 2.43. 3D-диаграмма направленности при возбуждении входа 1 внешнегокуба Гюйгенса на частоте 150 ГГц.Рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности при синфазном иравноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2. Диаграмма направленности приэтом будет иметь вид, показанный на рис.

2.44.Рис. 2.44. 3D-диаграмма направленности при синфазном равноамплитудномвозбуждении входа 1 и входа 2 внешнего куба Гюйгенса на частоте 150 ГГц.Диаграмма направленности для данного случая возбуждения представляетсобой тороид с осью симметрии, направленной вдоль оси x. Это ожидаемый виддиаграммынаправленности,посколькуеслиизобразитьэквивалентные79поверхностные электрические и магнитные токи при таком возбуждении, они будутвыглядеть так, как показано на рис. 2.40. Однако, в отличие от частоты 1 ГГц, накоторой размер ребра внешнего куба Гюйгенса составлял 1/300 длины волны, начастоте 150 ГГц размер ребра внешнего куба Гюйгенса составляет уже половинудлины волны, поэтому диаграмма направленности отличается от тороида.

Из рис.2.39 видно, что векторы эквивалентных поверхностных электрических токовпротивонаправлены. Но для размера половины длины волны уже нельзя пренебречьих размерами и формой поверхности, на которой они заданы. Диаграмманаправленности получается такой, как показано на рис. 2.44. Ось диаграммынаправленности направлена вдоль оси х так же, как и на частоте 1 ГГц.Теперь рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности припротивофазном и равноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2.

Диаграмманаправленности при этом будет выглядеть так, как показано на рис. 2.45.Рис. 2.45. 3D-диаграмма направленности при противофазномравноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2 внешнего куба Гюйгенса начастоте 150 ГГц.Диаграмма направленности также отличается уже от тороида, как и для случаясинфазного возбуждения. Из рис. 2.42 видно, что векторы эквивалентныхповерхностных магнитных токов противонаправлены. Следует учитывать, что для80размера половины длины волны уже нельзя пренебречь размерами и формойповерхности эквивалентных токов.

Диаграмма направленности получается такой,как показано на рис. 2.45. Ось диаграммы направленности направлена вдоль оси утак же, как и на частоте 1 ГГц.Обратим внимание на тот факт, что уровень коэффициента усиления привозбуждении одновременно двух входов при синфазном и противофазномвозбуждении получился разным: 2.59 дБ при противофазном возбуждении (см. рис.2.45) и 4.46 дБ при синфазном возбуждении (см. рис. 2.44).Приведем также характеристики диаграмм направленностей при различныхвариантах возбуждения входов внешнего куба Гюйгенса на частоте 300 ГГц, чтосоответствует размеру ребра внешнего куба Гюйгенса, равного длине волны.При возбуждении входа 1 внешнего куба Гюйгенса на частоте 300 ГГцдиаграмма направленности имеет вид, показанный на рис. 2.46.Рис.

2.46. 3D-диаграмма направленности при возбуждении входа 1 внешнегокуба Гюйгенса на частоте 300 ГГц.Максимум излучения направлен против оси z. Уровень максимума составляет11.36 дБ. Доля энергия на частоте 300 ГГц, поглощаемая на входе 2, составляет 41.79 дБ от энергии, подаваемой на вход 1. В отличие от частоты 1 ГГц, потериэнергии на излучение составляют -0.1 дБ.81Рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности при синфазном иравноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2. Диаграмма направленности приэтом будет выглядеть так, как показано на рис.

2.47.Рис. 2.47. 3D-диаграмма направленности при синфазном равноамплитудномвозбуждении входа 1 и входа 2 внешнего куба Гюйгенса на частоте 300 ГГц.Ось диаграммы направленности направлена вдоль оси x. Эквивалентныеповерхностные электрические и магнитные токи при таком возбуждении будутвыглядеть так, как показано на рис. 2.40. Однако в отличие от рассмотренных вышеслучаев, размер ребра внешнего куба Гюйгенса на частоте 300 ГГц составляет ужедлину волны. Диаграмма направленности принимает вид, изображенный на рис.2.47.Теперь рассмотрим, как будет выглядеть диаграмма направленности припротивофазном и равноамплитудном возбуждении входа 1 и входа 2.