ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 7 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Принцип взаимности частично экранированного ТЕМ-рупора в модах излучения и приема сверхкоротких электромагнитных импульсов. Численное моделирование

В.М. Федоров1, А.В. Ульянов1

1 Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.7.8 УДК 537.86/.87 EDN HZDWHA

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.

  • принцип взаимности
  • принцип эквивалентности
  • эффективная апертура антенны
  • сверхширокополосные импульсные сигналы
  • численное 3D моделирование антенн
Abstract (in English)

The principle of reciprocity of a partially shielded TEM-horn antenna in the radiation-reception modes of ultrashort electromagnetic pulses. Numerical simulation

Using the KARAT code new calculated data about sizes of the radiation surface in a vicinity of the aperture of an ultra-wide-band antenna were obtained. The 3-D PIC-code KARAT developed by V.P. Tarakanov is full-electromagnetic code at time-domain. The simulation of propagating impulse electro-magnetic waves was performed in radiation/reception modes in limited 3-D domain with the partially-shielded TEM-half-horn type antenna. This antenna had the 4×2 cm2 aperture and full angular divergence of horn electrode ≈ 12°. The radiating antenna was excited by a step-shaped pulse to emit bell-shaped pulses of electromagnetic waves with duration of ≈ 50 ps. The pulse shapes were similar to the experimental pulses in our studies of the principle of reciprocity of effective antenna apertures in radiation/reception modes using the well-known two-antenna method. The simulation of radiation in the far zone was performed by an analytical formula and the equivalence theorem of secondary current radiation on the secondary surface. The time derivative for the radiation of secondary currents was transferred to the primary excitation pulse of the considered antenna. As a result, a secondary excitation source with the bell-shaped pulse was connected to the antenna. The calculated effective radiation and reception surfaces of antennas for the electromagnetic pulse were equal. It was found that when 90 % of the maximum amplitude of the radiation pulse was reached in the far zone, the calculated surface size of the emitting antenna exceeded the surface size of the receiving antenna by 1.8 times.

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

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.