Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ перспективных путей применения метаматериалов и электромагнитных кристаллов в антенных устройствах УВЧ и СВЧ диапазонов волн 13
1.1 Анализ необычных свойств метаматериалов, делающих перспективным их применение в антенной технике 13
1.2 Анализ перспективных путей использования электромагнитных кристаллов в антенных устройствах УВЧ и СВЧ диапазонов волн 21
1.3 Выводы по главе 1 40
2 Исследование возможности использования метаматериалов для улучшения входных характеристик и направленных свойств сверхширокополосных антенн увч и свч диапазонов волн 42
2.1 Исследование возможности улучшения направленных свойств антенны Вивальди с помощью печатной линзы из электрически малых рассеивателей 42
2.2 Использование искусственного диэлектрика для улучшения согласования печатного биконического вибратора 53
2.3 Проектирование и исследование печатных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных вибраторов 63
2.4 Методика проектирования нерегулярного ТЕМ-рупора с линзой из
искусственного диэлектрика 79
2.5 Управляемый искусственный диэлектрик с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн СВЧ диапазона 93
2.6 Исследование возможности использования цилиндров с анизотропной проводимостью для упрощения модели искусственного диэлектрика 111
2.7 Выводы по главе 2 125
3 Исследование перспективных способов реализации плоских линз люнеберга увч и свч диапазонов волн 127
3.1 Методика проектирования антенны с диаграммообразующей схемой в виде линзы Люнеберга, реализованной с помощью различных вариантов топологии полосковых линий передачи 127
3.2 Исследование антенны с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков 140
3.3 Выводы по главе 3 159
4 Исследование аппаратуры радиомониторинга, оснащенной разработанными антеннами 160
4.1 Исследование перспективной автоматизированной системы радиомониторинга 160
4.2 Исследование мобильного автоматизированного измерительного комплекса контроля параметров поездной радиосвязи «ИВК-РАДИО» 179
4.3 Внедрение результатов диссертации при разработке и производстве аппаратуры радиомониторинга в АО «ИРКОС» (г. Москва) 198
Общие выводы и заключение 199
Список цитируемых источников 202
- Анализ перспективных путей использования электромагнитных кристаллов в антенных устройствах УВЧ и СВЧ диапазонов волн
- Использование искусственного диэлектрика для улучшения согласования печатного биконического вибратора
- Исследование антенны с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков
- Исследование мобильного автоматизированного измерительного комплекса контроля параметров поездной радиосвязи «ИВК-РАДИО»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Неизменной тенденцией развития теории и техники радиомониторинга и радиопеленгации, радиолокации, радиосвязи и телекоммуникации, управления и радионавигации является расширение полосы рабочих частот радиоэлектронной аппаратуры. Диапазон частот функционирования современных систем и комплексов радиомониторинга и радиопеленгации простирается от единиц герц до терагерцового диапазона. Компания Agilent Technologies на российском рынке предлагает анализаторы спектров и сигналов, функционирующие в полосе частот от 0 до 1,1 ТГц.
В связи с этим важной научно-технической проблемой является разработка и создание сверхширокополосных антенных элементов и систем, функционирующих в полосе частот с максимально возможным коэффициентом перекрытия, характеризующихся при этом минимальными габаритами, массой и стоимостью. Одним из многообещающих путей ее решения является использование искусственных диэлектриков.
Несмотря на то, что искусственные диэлектрики известны еще с XIX века, настоящий прорыв в их теории и практическом использовании связан с фундаментальными работами В.Г. Веселаго и Дж. Пендри, посвященными метаматериалам. Существенный вклад в развитие теории и прикладного применения метаматериалов внесли В.Н. Агранович, СЕ. Банков, Л.С. Бененсон, В.Л. Гинзбург, Ю.В. Гуляев, Н.А. Капцов, Н.В. Костин, Е. Кох, Л.И. Мандельштам, Л.А. Микаэлян, В.Н. Митрохин, С.А. Никитов, В.Е. Пафомов, Д.С. Рыженко, Д.В. Сивухин, Р.А. Силин, Д. Смит, Я.Н. Фельд, Г. Фриис, Р. Циолковский, А.Д. Шатров, В.В. Шевченко, Р. Шелби, С.А. Щелкунов и другие отечественные и зарубежные исследователи.
Тем не менее, актуальными остаются многие важные вопросы, в частности, о возможности использования искусственных диэлектриков для существенного улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов:
повышение коэффициента направленного действия антенн в сверхширокой полосе частот;
улучшение согласования сверхширокополосных антенн;
разработка и исследование управляемых метаматериалов для сверхширокополосных отражательных фазированных антенных решеток (ФАР);
разработка и исследование сверхширокополосных антенн с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга упрощенных вариантов конструкции.
Научная и практическая значимость перечисленных вопросов обуславливает актуальность темы диссертации, предусматривающей решение
частной задачи улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов волн путем использования искусственных диэлектриков.
Объектом исследования являются сверхширокополосные антенны УВЧ и СВЧ диапазонов, содержащие конструктивные элементы, реализованные на основе искусственных диэлектриков.
Предмет исследования - способы и средства улучшения характеристик сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов, основанные на использовании искусственных диэлектриков, а также возможность построения антенных систем с рефлектором из управляемого искусственного диэлектрика, функционирующих в режиме отражательной ФАР, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо в режиме сверхширокополосной сканирующей антенны.
Цель и задачи исследования - улучшение входных характеристик и направленных свойств сверхширокополосных антенн УВЧ и СВЧ диапазонов за счет применения структур из искусственного диэлектрика в конструкции антенн, а также разработка методики проектирования отражательных фазированных антенных решеток с рефлектором из управляемого искусственного диэлектрика с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн.
Для достижения данной цели в работе решены следующие задачи:
исследована возможность улучшения направленных свойств антенны Вивальди и нерегулярного ТЕМ-рупора с помощью печатных линз из электрически малых рассеивателей;
разработана методика улучшения согласования печатного биконического вибратора, предусматривающая использование искусственного диэлектрика;
предложена структура управляемого электромагнитного кристалла с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн и варианты ее реализации с помощью микроэлектромеханических (МЭМС) коммутаторов с оптическим и электростатическим управлением, а также p-i-n диодов;
исследована возможность упрощения модели искусственного диэлектрика путем введения анизотропии проводимости тонкопроволочных металлических элементов;
разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием с диаграммообразующей схемой (ДОС) в виде линзы Люнеберга, реализованной в виде различных конструкций из элементов полосковых линий передачи;
исследована возможность построения сканирующей сверхширокополосной антенны с плоской линзой Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков.
Методы исследования. Для электродинамического моделирования
применен метод конечного интегрирования Вейланда в пространственно-временной области. Анализ параметров искусственных диэлектриков и электромагнитных кристаллов выполнен путем построения эквивалентных схем на сосредоточенных элементах, соединенных отрезками линий передачи. Измерения характеристик согласования антенн выполнены с помощью анализатора параметров цепей производства компании Agilent Technologies.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
разработана методика компенсации фазовых искажений в раскрыве щелевых антенн бегущей волны и в ТЕМ-рупорах, основанная на использовании печатных линз из электрически коротких металлических полосков, позволяющая повысить коэффициент усиления как уединенных, так и находящихся в составе антенной решетки излучателей на величину, достигающую 3-4 дБ, а также уменьшить уровень боковых (УБЛ) и задних лепестков диаграммы направленности (ДН); установлено, что вносимый искусственным диэлектриком емкостный импеданс позволяет существенно ослабить негативное явление ослепления ФАР при широкоугольном сканировании в сверхширокой полосе частот;
разработан способ трансформации входного сопротивления плоского биконического вибратора от среднего значения 150 Ом до 50 Ом в сверхширокой полосе частот, основанный на размещении в его щелевой части проводящих частиц с размерами, много меньшими длины волны, позволяющий существенно снизить входное сопротивление эквивалентной неоднородной двухпроводной линии передачи с проводниками конической формы и за счет этого уменьшить добротность антенны; установлено, что использование покрытия из искусственного диэлектрика позволяет значительно повысить равномерность ДН вибратора в Н-плоскости;
предложен и обоснован (путем численных электродинамических расчетов) новый подход к созданию антенных систем с рефлектором в виде реконфигурируемого электромагнитного кристалла, в узлах которого расположены коммутирующие элементы (МЭМС или p-i-n диоды), функционирующих в режиме отражательной ФАР, перестраиваемой в сверхширокой полосе частот, либо в режиме сверхширокополосной сканирующей антенны;
разработана упрощенная модель управляемого искусственного диэлектрика, основанная на введении анизотропии проводимости тонкопроволочных металлических элементов, позволяющая адекватно оценить величину эффективного коэффициента преломления неоднородной среды при существенном снижении вычислительных затрат по сравнению со случаем учета не только продольных компонент токов, протекающих по ребрам
электромагнитного кристалла, но и азимутальных и радиальных компонент токов; модель удобна для использования при параметрическом синтезе искусственного диэлектрика;
- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным сканированием в азимутальной плоскости с диаграммообразующей схемой (ДОС) в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной на основе различных конструкций из элементов полосковых линий передачи, а также в виде совокупности радиальных диэлектрических пластин постоянной толщины и переменной ширины; исследовано влияние анизотропии на направленные свойства антенн.
Теоретическая и практическая значимость работы. В результате проведенных исследований разработана методика компенсации фазовых искажений в раскрыве антенны Вивальди и ТЕМ-рупора; построена упрощенная модель управляемого искусственного диэлектрика; предложен эффективный способ широкополосного согласования печатного биконического вибратора; разработана методика проектирования антенн с однокоординатным коммутационным сканированием в секторе шириной 90, построенных на основе различных вариантов реализации плоской линзы Люнеберга; предложен подход к созданию антенных систем с трехмерным реконфигурируемым рефлектором. Применение результатов теоретических исследований при проектировании широкополосных и сверхширокополосных антенн и антенных решеток УВЧ и СВЧ диапазонов позволяет существенно улучшить форму ДН и характеристики согласования, увеличить коэффициент усиления одиночных излучателей, антенн с ДОС в виде линз Люнеберга и ФАР с широкоугольным сканированием, а также упростить технологию их производства.
Достоверность полученных в работе результатов обусловлена корректным использованием методов анализа и синтеза антенн: метода конечного интегрирования Вейланда, реализованного в пространственно-временной области; двухэтапной процедуры параметрической оптимизации синтезируемых антенн - использования генетического алгоритма для поиска глобального минимума и его уточнения с помощью метода локальной оптимизации Мак-Кормика. Результаты численного моделирования щелевых антенн бегущей волны, плоского биконического вибратора и ТЕМ-рупора в частном случае отсутствия в их конструкции искусственных диэлектриков совпадают с известными из публикаций других авторов. Результаты вычислительного эксперимента соответствуют данным измерений характеристик антенн, полученным при использовании стандартных методик и поверенного измерительного оборудования компании Agilent Technologies.
Обоснованность основных положений, выводов и результатов работы определяется использованием в приведенных теоретических рассуждениях
известных принципов электродинамики, теории и техники антенн, наличием сходимости результатов численного решения граничных задач электродинамики при последовательном уменьшении пространственного и временного шагов разбиения сетки, а также применением методов статистической обработки получаемых в полевых условиях экспериментальных данных. При обосновании влияния искусственных диэлектриков на характеристики сверхширокополосных антенн и построении их физических моделей использованы известные положения теории метаматериалов.
Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на X международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2004); международной конференции Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика 2006)» (Ульяновск, 2006); международной конференции «Телеком-Транс 2008» (Сочи, 2008); X и XI международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2013,2014); а также на ежегодно проводимых научных конференциях студентов, аспирантов, профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2004-2014).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, включая 14 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статью в издании, включенном в международную базу цитирования Scopus, 3 свидетельства о регистрации компьютерных программ в ГОСФАП РФ, 1 патент РФ на изобретение, 1 заявку на выдачу патента на изобретение.
Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты, полученные в диссертации, внедрены в АО «ИРКОС» (г. Москва) при разработке и производстве комплексов радиомониторинга семейства «АРГУМЕНТ», мобильных измерительных комплексов «ИВК-РАДИО», а также пеленгационных антенных систем «АС-МП8».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и заключения, списка цитируемых источников из 213 наименований, и 5 приложений. Работа изложена на 226 страницах, содержит 132 рисунка и 1 таблицу.
Анализ перспективных путей использования электромагнитных кристаллов в антенных устройствах УВЧ и СВЧ диапазонов волн
DNG-материалы обладают рядом интересных свойств, наиболее примечательным из которых является отрицательный коэффициент преломления электромагнитных волн п. Впервые этот эффект был теоретически предсказан в фундаментальной работе Виктора Веселаго [7], а после создания первой DNG-структуры - подтвержден экспериментально. Результаты прямого измерения угла преломления для призмы, изготовленной на основе метаматериала, приведенного на рисунке 1.5, убедительно показали, что преломление электромагнитной волны на границе вакуума и такой композитной среды подчиняется закону Снеллиуса с отрицательным значением индекса п.
Кроме этого, в DNG-среде векторы Умова-Пойтинга (П) и фазовой скорости (волновой вектор к) противоположны, соответственно Е, Н и к формируют левостороннюю систему координат (в отличие от DPS среды, в которой они формируют правостороннюю систему). Из-за этого DNG-среды также называют LHM (left-hand materials, левосторонние материалы) [8-10].
Отрицательная величина коэффициента преломления изменяет геометрическую оптику линз и других объектов, образованных из DNG 21 материалов. Например, фокусирующая линза становится рассеивающей. Напротив, отклоняющая двояковогнутая линза, изготовленная из DNG-материала, действует как фокусирующая [11].
Поскольку метаматериалы являются структурами с уникальными электромагнитными свойствами, они вызывают большой интерес при разработке различных СВЧ-устройств. На их основе строят резонаторы, фазовращатели, фильтры и другие СВЧ-устройства.
Компоненты электромагнитных цепей, обладающие свойствами метаматериалов, применяются также в технике антенн в диапазоне частот от 100 МГц до 100 ГГц. Основными направлениями использования метаматериалов при этом являются: - излучатели, расположенные над высокоимпедансной поверхностью; - антенны с поверхностной волной; - уменьшение взаимного влияния элементов антенных решеток, в том числе в МГМО-устройствах; - увеличение коэффициента направленного действия (КНД) апертурных антенн (в работе [1] рассмотрен пример повышения КНД рупорной антенны, в раскрыве которой расположен метаматериал).
Анализ перспективных путей использования электромагнитных кристаллов в антенных устройствах УВЧ и СВЧ диапазонов волн
Начиная с девяностых годов XX века в научной литературе наблюдается лавинообразный рост публикаций по ряду направлений, которые впоследствии были объединены общим названием «метаматериалы». К этим направлениям относятся бианизотропные и киральные среды, фотонные, электромагнитные, магнонные и фононные кристаллы, отрицательные среды и т.д. Все перечисленные структуры представляют собой искусственные объекты, в которых могут распространяться волны различной природы. Интерес к этим объектам обусловлен тем, что они часто обладают свойствами, которые либо вообще не встречаются в естественных средах, либо выражены весьма слабо. Наибольшее внимание исследователей привлекали электромагнитные волны и, соответственно, электромагнитные свойства метаматериалов [12]. Тем не менее, особенно когда речь идет о кристаллических метаматериалах, следует отметить работы, посвященные свойствам спиновых (магнитостатических) [13] и акустических волн [14] в искусственных средах.
Идея искусственной среды появилась задолго до девяностых годов [15]. Основой искусственной среды служит искусственная частица, которая может иметь произвольную структуру. В качестве таких частиц используют диэлектрические, металлические, магнитные и другие образцы различной формы: сферы, цилиндры и т.д. [16]. Искусственные частицы располагаются в некотором объеме, формируя искусственный материал. Распределение частиц в объеме может быть случайным или регулярным, когда частицы располагаются упорядоченно в узлах решетки. В последнем случае уместно говорить об искусственном кристалле.
Искусственные материалы, как они понимались на первых этапах исследований, имели две существенные особенности: - характерное расстояние между частицами (в случае упорядоченного расположения частиц - период решетки) много меньше длины волны в среде; - частица имеет простую структуру, т.е. имеет малые по отношению к длине волны размеры, не имеет резонансных или особых пространственных свойств. Выполнение этих условий позволяло описывать искусственные материалы в терминах усредненных макроскопических параметров, таких как диэлектрическая и магнитная проницаемости. Качественный скачок в исследовании искусственных сред и переход к метаматериалам был обусловлен снятием ограничений на свойства частиц и расстояние между ними [17].
Увеличение периода решетки искусственного кристалла до размеров, сравнимых с половиной длины волны, привело к появлению ряда новых физических особенностей у волн в таких кристаллах. Все они связаны со структурными резонансами, наиболее ярким проявлением которых является появление полосы запирания, в которой волна становится затухающей [18]. При этом ее поле описывается экспонентой с действительным показателем. Оказалось, что при определенных условиях возможно создание сред, в которых в некоторой полосе частот будут отсутствовать распространяющиеся волны [19]. То есть ни при каких направлениях и ни для какой поляризации волна не может иметь действительную постоянную распространения. Указанная полоса частот называется полосой запирания.
Впервые такие кристаллы были предложены для использования в оптическом диапазоне частот [20]. По этой причине для них был предложен англоязычный термин photonic bandgap (PBG) crystal, который можно перевести на русский язык как «фотонный кристалл в запрещенной зоне» (полосе запирания).
Поскольку с точки зрения распространения между волнами оптического и СВЧ диапазонов существенной разницы нет, то вскоре появились электромагнитные и electromagnetic bandgap (EBG) кристаллы, являющиеся полным аналогом фотонных кристаллов, но в СВЧ диапазоне [21]. Построение феноменологической модели электромагнитного кристалла, позволяющей определить параметры его собственных волн, показано в работе [12] с использованием результатов работ [22-28]. Эффекты, возникающие на границах электромагнитных кристаллов, также описаны в работе [12] с применением соотношений, полученных в [29-36].
Использование искусственного диэлектрика для улучшения согласования печатного биконического вибратора
В работах [139-140] показано, что использование чисто поперечной основной волны в ТЕМ-рупорах позволяет значительно расширить диапазон функционирования антенного устройства в сторону нижних частот. Рупорные антенны, запитываемые с помощью металлического прямоугольного волновода, обладают существенно большими габаритными размерами (по сравнению с ТЕМ-рупорами), т.к. ширина волновода должна быть больше величины Я0/2.
Именно в силу возможности существенного уменьшения габаритных размеров антенных устройств, ТЕМ-рупоры являются перспективными для использования в аппаратуре радиомониторинга. При этом очень важным является возможность сокращения числа частотных литер антенной системы за счет использования приемных антенных элементов, удовлетворительно согласованных со стандартной фидерной линией с волновым сопротивлением 50 Ом даже в низкочастотной области функционирования, где поперечные размеры излучающей апертуры могут быть существенно меньше половины длины волны.
В силу этого, актуальной задачей является разработка методики проектирования ТЕМ-рупоров с линейным раскрывом, обладающих пониженными значениями нижней граничной частоты функционирования.
Способом решения данной задачи может являться вариация полосков ТЕМ-рупора по ширине вдоль оси линейного раскрыва (рисунок 2.43), закон которой выбирается с помощью эволюционного алгоритма [141].
В ТЕМ-рупоре, показанном на рисунке 2.43, значение волнового сопротивления изменяется по экспоненциальному закону от 50 Ом в точках его запитки, до 377 Ом (значение волнового сопротивления воздуха). Таким образом, антенное устройство является плавным экспоненциальным переходом от фидерной линии к свободному пространству в его раскрыве.
Однако подобная простейшая физическая модель нерегулярного ТЕМ-рупора не учитывает излучения электромагнитных волн с боковых поверхностей антенного устройства, а также краевых эффектов.
Поэтому в качестве аппарата анализа был выбран метод конечного интегрирования Вейланда [142], реализованный в пространственно-временной области, позволяющий численно решить соответствующую граничную задачу на уровне электродинамической строгости и оценить основные характеристики антенного элемента в широкой полосе частот.
При постановке задачи параметрического синтеза нерегулярного ТЕМ-рупора с линейным раскрывом учитывались следующие соображения. С одной стороны, антенное устройство должно обладать удовлетворительным согласованием в сверхширокой полосе рабочих частот, включая низкочастотную область его функционирования, где его поперечные размеры могут быть существенно меньшими половины длины волны. С другой - накладываются жесткие ограничения на габаритные размеры антенного устройства, которое должно функционировать как в составе антенной решетки, так и в уединенном режиме использования.
Рисунок 2.43 - ТЕМ-рупор, являющийся нерегулярной полосковой линией длины L с воздушным заполнением, в котором реализовано распределение волнового сопротивления Wg вдоль продольной оси z вида Жв(г) = 50-ехр((г/х)-1п(377/50))
В то же время существуют известные ограничения [32, 143], связывающие коэффициент направленного действия с размерами антенны. Также необходимо учитывать и критерий Чу-Харрингтона [144-146], связывающий габаритные размеры антенного устройства, длины волн в рабочем диапазоне, тепловые и омические потери и качество согласования антенны с фидерной линией.
Естественно, нельзя «перепрыгнуть» ограничения по согласованию антенны с фидерной линией, диктуемые критерием Чу-Харрингтона; однако нужно стремиться обеспечить минимально возможный уровень коэффициента отражения от входа антенны при заданных потерях в металлических и диэлектрических деталях антенного устройства в рабочем диапазоне частот A/ = [Fmill;Fmax].
Формально процесс оптимизации антенны проводится посредством минимизации следующей целевой функции: - конечное множество значений ширины полосков рупора в точках zx. = О-1) i = l,...,N, при этом величина Bi может изменяться в пределах [i?1 J, где минимальное значение величины ширины полосков Втп диктуется возможностью реализации полоска по технологии производства печатных плат (в передающем режиме необходимо было бы учитывать также максимальную излучаемую мощность, но в данном случае мы рассматриваем приемную антенну и данное ограничение не учитывается); fm - дискретные значения частот рабочего диапазона 4/ = [Fmin;Fmax], m = 1,...,М, на которых контролируется качество согласования; срт = p{fm) - неотрицательные весовые множители, учитывающие «вес» модуля коэффициента отражения на каждой дискретной частоте \p(fm,Bj, (рт є [О; і] (гораздо легче обеспечить хорошее согласование в высокочастотной области функционирования антенны, где ее поперечные размеры больше половины длины волны, чем в низкочастотном диапазоне, где входное сопротивление антенны имеет, в основном, реактивный - емкостный характер, и сопротивление излучения существенно уменьшается с увеличением длины волны).
Возможны различные подходы к формулировке ограничений на ширину полосков в точках запитки (zl) и в максимальном раскрыве полосков (zN): - можно попытаться зафиксировать значения ширины полосков, исходя из условий вида: (первое из них учитывает значение волнового сопротивления фидерной линии 50 Ом; второе - равенство волнового распределения полосковой линии в месте максимального ее раскрыва волновому сопротивлению свободного пространства 377 Ом); -значения волновых сопротивлений w\zi) и W\ZN) жестко не задаются и изменяются в процессе оптимизации. Для нахождения значения ширин полосков В = \вх,B2,...,Bt,...,BNJ была применена модифицированная структура эволюционного алгоритма, разработанная проф. Маториным А.В. [141].
Исходные значения ширин полосков выбирались исходя из условий синтеза ТЕМ-рупора с экспоненциальным законом вариации волнового сопротивления вдоль его продольной оси с помощью простого выражения, приведенного в монографии Айзенберга [143], полученного в результате анализа регулярной полосковой линии с полосками одинаковой ширины:
При построении процедуры параметрической оптимизации (структурная схема эволюционного алгоритма показана на рисунке 2.44) использовался равномерный закон распределения ширины полосков z?in;Z?axJ для всех точек z. (не исключалась возможность пульсирующего характера закона изменения ширины полосков квазиоптимального ТЕМ-рупора при изменении значения продольной координаты z).
Исследование антенны с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков
При технологической реализации управляемого искусственного диэлектрика одним из перспективных путей может быть использование многослойных структур, состоящих из тонких печатных плат, изолированных друг от друга слоями вспененного диэлектрика, соединенных между собой металлическими перемычками в точках расположения МЭМС-коммутаторов.
Подводя итоги, можно отметить, что полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: в предлагаемом искусственном диэлектрике значение фазы отраженной волны может регулироваться в широкой полосе частот в пределах от 0 до 360 градусов, при этом частотные зависимости фазы, соответствующие различным сечениям расположения плоскости отражения, имеют регулярный характер; отражения от структуры метаматериала при выключенных МЭМС-коммутаторах невелики; - в силу изотропности предлагаемого базового искусственного диэлектрика, управляемого с помощью оптоуправляемых МЭМС-коммутаторов, поляризация волн может быть произвольной; - предлагаемый подход к созданию управляемых искусственных диэлектриков является перспективным для создания отражательных фазированных антенных решеток, функционирующих в широком частотном диапазоне с электронной перестройкой по частоте. - управляемый искусственный диэлектрик может использоваться в системах и комплексах радиоэлектронной борьбы (РЭБ) со следующими целями: а) пеленгования радиолокационных станций противника в широкой полосе частот; б) существенного уменьшения эффективной поверхности рассеяния защищаемых объектов в направлениях радиолокационных станций противника путем адаптивного формирования глубоких нулей диаграммы рассеянного излучения объекта, покрытого управляемым метаматериалом с синтезируемой поверхностью отражения электромагнитных волн СВЧ диапазона.
Исследование возможности использования цилиндров с анизотропной проводимостью для упрощения модели искусственного диэлектрика
В этом разделе исследуется искусственный диэлектрик, представляющий собой трехмерно-периодическую структуру с одинаковым периодом dx=dy= dz вдоль каждой из осей декартовой системы координат, состоящую из совокупности тонких изолированных друг от друга проводников, направленных в каждый из узлов кристаллической решетки (рисунок 2.71).
Прямоугольный металлический волновод с внутренним сечением 156 12 мм2 и длиной 86 мм содержит 91 показанную на рисунке 2.71 ячейку. Фрагмент кристаллической решетки искусственного диэлектрика (размеры ячейки - 12x12x12 мм3; длина каждого из проводников - 5 мм; диаметр проводников - 0,5 мм; зазор между торцами проводников - 1 мм) Исследуемый искусственный диэлектрик является изотропным в силу центральной симметрии его кристаллической решетки. При расположении в ее узлах коммутирующих элементов (МЭМС или НЭМС коммутирующих элементов с электростатическим или оптическим приводом; образцов высокоомного полупроводника, облучаемого оптическим излучением; p-i-n диодов) на основе исследуемого искусственного диэлектрика можно создать электрически управляемый рассеиватель, перспективный для использования в качестве рефлектора отражательных фазированных антенных решеток, функционирующих в широкой полосе частот с электронной перестройкой, а также в аппаратуре радиоэлектронной борьбы для формирования глубоких провалов диаграммы рассеянного излучения в направлениях падения на исследуемую структуру электромагнитных волн.
Исследовалась структура со следующими параметрами: периодом 6 мм по направлениям X,Y,Z, длиной каждого из проводников 5 мм; диаметром проводников 0,5 мм; зазором между проводниками 1 мм; материал проводников -медь (проводимость a = 5.96-107 См/м). При моделировании рассеяния искусственным диэлектриком падающих на него электромагнитных волн, в целях ограничения объема решаемой задачи, рассматривался случай дифракции волны ню на образце с размерами 156x84x12 мм3, размещенном внутри прямоугольного металлического волновода с внутренним сечением 156x12 мм2 и длиной 86 мм. Исследуемый диапазон частот - от 1,5 до 2,5 ГГц (на частоте 2,5 ГГц длина проводника составляет 0,042 Л0).
Целью настоящего раздела является исследование возможности существенного упрощения модели искусственного диэлектрика путем игнорирования радиальных и азимутальных составляющих токов в проводниках (рисунок 2.72).
Исследование мобильного автоматизированного измерительного комплекса контроля параметров поездной радиосвязи «ИВК-РАДИО»
Вышеперечисленные недостатки обусловлены весьма малыми значениями входного сопротивления в точках подключения линии передачи непосредственно к полосковой ДОС (единицы Ом) и необходимостью использования достаточно громоздких согласующих трансформаторов.
В настоящей работе предпринята попытка устранения вышеперечисленных недостатков путем увеличения расстояния между проводниками ДОС.
Конструктивными особенностями модифицированной ДОС (рисунок 3.10) являются: - использование тонкой (0,127 или 0,254 мм) по сравнению с величиной зазора между параллельными платами, образующими ДОС (3-6 мм), заполненного вспененным диэлектриком, диэлектрической подложки из материала Rogers 5880 ( - значение эффективной диэлектрической проницаемости линии передачи - , близкое к 1, при радиально-кольцевом законе расположения проводников; эфф _г - возможность реализации значения ь? в центре диаграммоооразующеи схемы за счет пространственной модуляции проводников в радиальном и кольцевом направлениях с периодом и амплитудой, существенно меньшими длины волны; - возможность запитки ДОС линиями передачи с волновым сопротивлением 50 Ом. Конструкция модифицированной антенны на основе ДОС в виде печатной линзы Люнеберга: вид модифицированной антенны в изометрии (а); увеличенный зазор между проводниками ДОС, по сравнению с прототипом (б); вид сверху (в); топология проводников на печатной плате, реализующая закон изменения sf4 (г) = 2 - (г/г0 У (г); точки запитки ДОС от источника с внутренним сопротивлением 50 Ом (д)
Для численного анализа синтезированной структуры использовался метод конечного интегрирования (Finite Integration Technique (FIT)), предложенный Вейландом в работе [146], подробно 138
Основные характеристики антенны с диаграммообразующей схемой в виде печатной линзы Люнеберга (рисунок 3.10) приведены на рисунках 3.11-3.13. Максимальный раскрыв излучающей апертуры (высота антенны) составлял 212 мм; диаметр линзы Люнеберга - 300 мм; зазор между полосками диаграммообразующей схемы - 6 мм; диаметр антенны - 600 мм.
На рисунке 3.11 приведена частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН); на рисунках 3.12 и 3.13 - ее диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях.
Частотная зависимость коэффициента стоячей волны на входе антенны с печатной линзой Люнеберга Довольно высокий уровень боковых лепестков в Н-плоскости (рисунок 3.13) (минус 6-7 дБ) является следствием того, что отношение диаметра диаграммообразующей схемы Dff0C к длине волны в свободном пространстве Я0 весьма мало для антенного устройства с ДОС оптического типа: на частоте 2 ГГц электрический диаметр диаграммообразующего устройства составляет Вдос / 4, = 2, на частоте 3 ГГц - Daoc/Л0=3. При увеличении отношения DAOC/A0 и уменьшении угла раскрыва конического ТЕМ-рупора уровень боковых лепестков удается снизить приблизительно до минус 10 дБ.
Таким образом, разработана методика проектирования антенны с диаграммообразующей схемой в виде линзы Люнеберга, реализованной с помощью различных вариантов топологии полосковых линий передачи, отличающаяся использованием электростатической модели фидерных линий при синтезе топологии печатной платы и метода конечного интегрирования Вейланда при анализе входных характеристик и направленных свойств антенны.
Исследование антенны с диаграммообразующей схемой в виде плоской линзы Люнеберга, реализованной в виде набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков Для сужения диаграммы направленности в азимутальной плоскости (Н плоскости) необходимо увеличивать электрические размеры диаграммообразующей схемы DflOC IЛ0.
В силу достаточно высокой стоимости фольгированных диэлектриков (марок Rogers, Arlon и др.), а также - ограниченности размеров листов ламинированных материалов и наличия ограничения размеров изготовляемых печатных плат, актуальной является разработка диаграммообразующих схем на основе более дешевых материалов. В качестве диэлектриков с малыми потерями можно использовать фторопласт, полистирол и полиэтилен.
В качестве примера рассмотрим плоскую линзу Люнеберга с радиусом 650 мм. Было выяснено, что достаточно эффективным способом построения ее диаграммообразующей схемы является использование набора радиально ориентированных диэлектрических лепестков достаточно малой ширины (рисунок 3.14).
Было выяснено, что для реализации необходимого закона изменения эффективной диэлектрической проницаемости материала диаграммообразующей схемы линзы Люнеберга еэфф(г) = 2-(г/г0)2 следует выбрать следующую зависимость текущей толщины диэлектрического лепестка t: єг - относительная диэлектрическая проницаемость материала лепестков. Предлагаемый базовый элемент диаграммообразующей схемы дает возможность реализовать важные преимущества: возможность изготовления диэлектрических лепестков в пресс-формах достаточно малой ширины и глубины (единицы миллиметров); возможность реализации плоских линз Люнеберга достаточно большого диаметра (более I метра); стоимость пресс-формы для изготовления лепестков существенно ниже стоимости пресс-формы для изготовления линзы Люнеберга целиком; малые потери в диэлектриках диаграммообразующей схемы (фторопласт ( tgS3= 0,0001), полистирол ( =0,0002)), даже по сравнению с наиболее качественными и дорогостоящими фирменными диэлектриками: материал Rogers 3003 характеризуется величиной тангенса угла электрических потерь на порядок