ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №7

УДК: 537.86/.87

ПРИНЦИП ВЗАИМНОСТИ ЧАСТИЧНО ЭКРАНИРОВАННОГО

ТЕМ-РУПОРА В МОДАХ ИЗЛУЧЕНИе-ПРИЕМ

СВЕРХКОРОТКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

В.М. Федоров, А.В. Ульянов

Объединенный институт высоких температур РАН

125412, Москва, Ижорская ул., дом 13, стр.2

Статья поступила в редакцию 1 апреля 2025 г.

Аннотация. С использованием кода КАРАТ получены новые расчетные данные о размерах поверхности излучения в окрестности апертуры сверхширокополосной антенны. Код КАРАТ – полностью электромагнитный во временной области трехмерный PIC-код разработки В.П.Тараканова. Численное моделирование распространения электромагнитных импульсных волн сделано в 3-х мерной ограниченной области в режимах излучение/прием подобных волн. Численная модель антенны имела апертуру 4×2 см² и представляла собой 1/8 часть частично экранированного ТЕМ-рупора с апертурой 8×8 см² и полной угловой расходимостью электродов рупоров ≈ 12°. Эта антенна в режиме излучения возбуждалась импульсом напряжения ступенчатой формы для излучения колоколообразных импульсов электромагнитных волн длительностью на полувысоте ≈ 50 пс. Формы импульсов были подобны экспериментальным импульсам в наших ранних исследованиях принципа взаимности эффективных апертур антенны с использованием известного метода двух антенн. Численное моделирование излучения в дальней зоне сделано с использованием аналитической формулы и теоремы эквивалентности излучения вторичных токов на вторичной поверхности. Производная по времени для излучения вторичных токов была перенесена на первичный импульс возбуждения антенны. В результате к антенне был подключен вторичный источник возбуждения с импульсом колоколообразной формы длительностью ≈ 50 пс. Вычисленные эффективные поверхности излучения и приема модельной антенной электромагнитного импульса типа колокол были равны. Установлено, что при достижении в дальней зоне 90 % от максимальной амплитуды напряженности электрического поля импульса излучения расчетная величина излучающей поверхности антенны превышала размер поверхности приемной антенны в 1.8 раза.

Ключевые слова: принцип взаимности, принцип эквивалентности, эффективная апертура антенны, сверхширокополосные импульсные сигналы, численное 3D моделирование антенн.

Финансирование: Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Государственное задание № 075-00269-25-00).

Автор для переписки: Ульянов Александр Витальевич, ostashev@ihed.ras.ru

Литература

1. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1988. – 440 с.

2. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.-Л.: Энергия, 1967. – 376 с.

3. Зоммерфельд А. Электродинамика / Пер. с нем. под ред. С.А. Элькинда. – М.: Издательство иностранной литературы, 1958. – 466 с.

4. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Энергия, 1975. – 528 с.

5. Фельд Я.Н. Теорема взаимности в электродинамике для неустановившихся процессов // ДАН СССР. – 1943. – Т. 41. – № 7. – С. 294-297.

6. Fedorov V.M. et al. High power radiators and E-field sensors for sub-nanosecond electromagnetic pulses // 2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC). – IEEE, 2015. – P. 1127-1132.

7. Fedorov V.M. et al. Antenna array with TEM-horn for radiation of high-power ultra short electromagnetic pulses // Electronics. – 2021. – V. 10. – № 9. – P. 1011. https://doi.org/10.3390/electronics10091011

8. Официальный сайт компании НПП «ТРИМ». (https://trimcom.ru/main-page/)

9. Шелкунов С., Фриис Г. Антенны: Теория и практика / Пер. с англ. под ред. Бахраха Л.Д. –М.-Л.: Сов. Радио, 1955. – 605 с.

10. Fedorov V.M., Ostashev V.Y., Ul'yanov A.V. Patterns of peak power and energy of ultra-wideband pulse radiation from aperture antennas // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2012. – Т. 55. – №. 10-3. – С. 79-83.

11. Ostashev V.E., Ul’yanov A.V., Fedorov V.M. Energy Conversion Efficiency in an Ultrawideband Pulse Emitter // Journal of Communications Technology and Electronics. – 2020. – Т. 65. – С. 234-238.

12. Tarakanov V.P. The universal electromagnetic code KARAT. Mathematical modeling: Problems and results / Ed. by I.M. Makarov, O.M. Belotserkovsky. – M.: Nauka, 2003. – Р. 456-476.

13. Tarakanov V.P. User's Manual for Code KARAT. – Springfield Va. USA: Berkeley Research Associates, Inc. – 1992.

14. Thomas A. Milligan. Modern Antenna Design. 2nd ed. – Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. – 2005. 612 p.

15. Mikheev O.V. et al. New method for calculating pulse radiation from an antenna with a reflector // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. – 1997. – V. 39. – №. 1. – P. 48-54. https://doi.org/10.1109/15.554694

16. Подосенов С.А., Соколов А.А. Излучение и измерение импульсных электромагнитных полей. – М.: Спутник, 2000. – 250 с.

17. Стреттон Дж.А. Теория электромагнетизма / Пер. с анг. под ред. Рытова С.М. – М.-Л.: ОГИЗ, 1948. –539 с.

18. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Сверхширокополосные импульсные радиосистемы. – Новосибирск: Наука, 2015. – 483 с.

19. Анютин Н.В. Метод приближенного вычисления интеграла Кирхгофа. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.7

20. Иммореев И.Я. Особенности работы сверхширокополосных радиосистем с большими антеннами // Успехи современной радиоэлектроники. – 2010. – №9. – С.59- 71.

21. Зайцев А.В. Исследование электромагнитных полей во временной области. // В сб.: Антенны / под ред. Л.Д. Бахраха. Вып. 6 (51). – М.: Радио и связь. 2001. – С. 3 – 11.

22. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. – 2009. – Т.54. – №1. – С. 5-31.

23. Andreev Y. et al. Some Characteristics of Ultra-Wideband 2x2 Combined Antenna Array // 2018 20th International Symposium on High-Current Electronics (ISHCE). – IEEE, 2018. – С. 70-73.

Для цитирования:

Федоров В.М., Ульянов А.В. Принцип взаимности частично экранированного ТЕМ-рупора в модах излучения и приема сверхкоротких электромагнитных импульсов. Численное моделирование // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – № 7. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.7.8