Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ перспективных направлений и методов исследования и разработки сверхширокополосных антенн для комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования
1.1 Анализ возможностей и основных характеристик радиолокационных измерительных комплексов закрытого и открытого типов в контексте эффективности их использования для исследования и оптимизации сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля 20
1.2 Анализ возможностей и эффективности применения программ электродинамического моделирования при исследовании и разработке сверхширокополосных антенн стационарных и мобильных комплексов радиоконтроля 28
1.3 Анализ перспективных путей построения сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля и создания алгоритмов коррекции измеренных значений пеленгов, искаженных протекающими дифракционными процессами 68
1.4 Выводы по первой главе 77
2 Разработка н апробация методик оптимизации характеристик ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот 78
2.1 Исследование характеристик ТЕМ- рупоров с нерегулярным законом продольного распределения погонных параметров 79
2.2 Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора в сверхширокой полосе частот на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода 93
23 Разработка методики параметрического синтеза ТЕМ- рупора с оптимизированными в сверхширокой полосе частот входными характеристиками на основе генетического алгоритма 122
2.4 Сравнительный анализ входных характеристик и направленных свойств пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и сеточной тонкопроволочной конструкции 135
2.5 Исследование возможностей совершенствования характеристик пирамидального ТЕМ- рупора за счет гофрирования его полосков 155
2.6 Выводы по второй главе 169
3 Разработка и исследование сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны 171
3.1 Анализ зависимости характеристик сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели 172
3.2 Методика синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с использованием их квазистатической и строгой электродинамической моделей 188
3.3 Оптимизация входных характеристик сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны на основе использования генетического алгоритма 211
3.4 Разработка и исследование сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны с управляемой поляризационной чувствительностью 227
3.5 Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя с целью повышения эффективности сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны 244
3.6 Выводы по третьей главе 251
4 Разработка и исследование радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из элементов с тороидальной и игольчатой диаграммой направленности 253
4.1 Алгоритм реально-временной компенсации систематической ошибки измеренных с помощью вибраторной антенной решетки пеленгов, основанный на предложенной итерационной модификации метода наведенных ЭДС 254
4.2 Исследование характеристик вибраторной логопериодической структуры, входящей в состав кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки 264
4.3 Исследование сверхширокополосного щелевого излучателя бегущей волны, являющегося элементом кольцевой радиопеленгаторной антенной решетки 275
4.4 Разработка и исследование кольцевой антенной решетки из пирамидальных ТЕМ- рупоров, предназначенной для использования в амплитудно-фазовом радиопеленгаторе 293
4.5 Разработка и исследование радиопеленгаторной линейной антенной решетки СВЧ диапазона волн, состоящей из элементов Вивальди 307
4.6 Исследование и компенсация влияния металлического кожуха на пеленгационные характеристики линейной антенной решетки из элементов Вивальди 337
4.7 Выводы по результатам четвертой главы 346
5 Разработка и исследование методик синтеза и анализа сверхширокополосных радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования 348
5.1 Методика коррекции пеленгов, измеренных в сверхширокой полосе частот с помощью вибраторной антенной решетки мобильного базирования, основанная на интерполяции данных натурных экспериментальных измерений 349
5.2 Методика анализа и компенсации искажений пеленгов, вызванных рассеянием волн на корпусе носителя вибраторной антенной решетки, основанная на эвристическом представлении о распределении протекающих поверхностных токов 362
5.3 Разработка и исследование итерационного метода решения в частотной области задач дифракции электромагнитных волн на металлических объектах, сформулированных в виде
интегральных уравнений 373
5.4 Методика оценки систематической погрешности пеленгования, вносимой корпусом носителя вибраторной антенной решетки, основанная на переходе к анализу упрощенной эквивалентной электродинамической структуры 382
5.5 Методика оптимизации размещения элементов радиопеленгаторнои антенной решетки мобильного базирования с учетом искажений, вносимых корпусом носителя в структуру измеряемого поля в сверхширокой полосе рабочих частот 399
5.6 Исследование пеленгационной характеристики кольцевой антенной решетки вибраторного типа, установленной под фюзеляжем самолета 419
5.7 Исследование возможности предельного упрощения электродинамической модели самолета - носителя радиопеленгаторнои антенной решетки 431
5.8 Выводы по результатам пятой главы 444
6 Разработка и исследование сверхширокополосных антенн аппаратуры радио мониторинга 446
6.1 Исследование направленных свойств плоского биконического вибратора, находящегося в свободном пространстве и расположенного над металлическим экраном 447
6.2 Разработка и исследование сверхширокополосной измерительной антенны, построенной на основе комбинации плоского и объемного биконусов 463
6.3 Разработка и оптимизация параметров широкополосных печатных антенных решеток с веерной и игольчатой диаграммами направленности 470
6.4 Исследование входных характеристик сверхширокополосного биконического вибратора с кольцевыми пазами 492
6.5 Разработка и исследование линейной модификации спирали 502
Архимеда, являющейся сверхширокополосной антенной по направленным свойствам
6.6 Исследование архимедовской спиральной антенны с внутренней модуляцией излучающих проводников 513
6.7 Выводы по шестой главе 520
7 Методика проектирования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля, структура и результаты исследований аппаратно-программных комплексов радиопеленгации и радиомониторинга 522
7.1 Методика автоматизированного проектирования и анализа характеристик сверхширокополосных антенных систем комплексов радиоконтроля 522
7.2 Структура аппаратно-программного панорамно-пеленгационного мобильного комплекса серии МК, оснащенного антенными решетками 547
7.3 Особенности функционирования аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками 552
7.4 Анализ технических характеристик аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками 574
7.5 Выводы по седьмой главе 590
Заключение 591
Список цитируемых источников 593
Приложение
- Анализ возможностей и эффективности применения программ электродинамического моделирования при исследовании и разработке сверхширокополосных антенн стационарных и мобильных комплексов радиоконтроля
- Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора в сверхширокой полосе частот на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода
- Методика синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с использованием их квазистатической и строгой электродинамической моделей
- Разработка и исследование кольцевой антенной решетки из пирамидальных ТЕМ- рупоров, предназначенной для использования в амплитудно-фазовом радиопеленгаторе
Введение к работе
Актуальность работы. Одной из мер в противодействии террористической угрозе является создание мобильных и стационарных комплексов радиоконтроля, позволяющих своевременно обнаруживать и с высокой точностью и достоверностью определять местоположение несанкционированных источников радиоизлучения, используемых террористами, а также осуществлять контроль над информационными потоками, передаваемыми посредством электромагнитных волн, в широкой полосе частот.
Потенциально достижимые значения многих наиболее важных тактико-технических характеристик комплексов радиоконтроля (полосы рабочих частот, зоны и дальности действия, разрешающей способности по угловым координатам, точности и однозначности пеленгования источников, габаритных размеров и массы аппаратуры, времени сворачивания и разворачивания на местности) в значительной степени определяются характеристиками используемых в них антенных систем.
К антенным системам комплексов радиоконтроля предъявляются весьма противоречивые требования: при минимально возможных габаритных размерах и массе они должны обнаруживать и пеленговать источники радиоизлучения на предельных энергетических показателях в сверхширокой рабочей полосе частот, включающей в себя радиоволны нескольких частотных диапазонов. К особенностям применения антенных систем комплексов радиоконтроля следует отнести их размещение на мобильных носителях или в составе архитектурных композиций зданий, что приводит к необходимости проектирования антенных решеток с учетом электродинамического взаимодействия всех элементов их конструкции, включая несущие и опорные, искажающих электромагнитное поле по отношению к свободному пространству.
Поэтому весьма перспективным направлением совершенствования аппаратуры радиоконтроля является использование в ней направленных сверхширокополосных антенных систем и устройств в совокупности с программны 9 ми средствами обработки наблюдаемого электромагнитного поля источников радиоизлучения и компенсации искажений его структуры, вносимых антенной и ее носителем (опорной конструкцией).
Разработке сверхширокополосных и широкополосных антенн посвящены работы отечественных ученых: Г.В. Анцева, Н.А. Арманда, Л.Ю. Астанина, Л.Д. Бахраха, Н.А. Бея, А.П. Брызгалова, Д.И. Воскресенского, А.Ю. Гринева, Н.В. Зернова, И.Я. Иммореева, А.Ф. Кардо-Сысосева, В.Я. Кислова, А.А. Кос-тылева, В.Ф. Кравченко, В.Н. Митрохина, М.Л. Осипова, В.А. Пермякова, Л.И. Пономарева, В.А. Сарычева, В.Н. Скосырева, А.Д. Французова, В.В. Чапурско-го, В.А. Черепенина, С.Л. Чернышева, B.C. Черняка, А.Б. Шварцбурга и др.
Однако, до настоящего времени остается нерешенным ряд важных задач в области исследования и разработки малогабаритных сверхширокополосных антенных систем и устройств для комплексов радиоконтроля мобильного и стационарного базирования, в минимальной степени искажающих структуру наблюдаемого поля, создаваемого источниками радиоизлучения.
Данные обстоятельства делают актуальным тему настоящей диссертации, выполненной в рамках ряда проводимых в ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, тесно связанных со следующими приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации: перспективные вооружения, военная и специальная техника; опто-, радио- и акустоэлектроника, оптическая и сверхвысокочастотная связь.
Целью диссертационной работы является: исследование и разработка сверхширокополосных антенных элементов и решеток, предназначенных для использования в комплексах радиоконтроля мобильного и стационарного базирования, позволяющих повысить их энергетический потенциал, разрешающую способность и точность измерения угловых координат источников радиоизлучения; а также создание методик и алгоритмов реально-временной компенсации систематических погрешностей пеленгования, вызванных искажением структуры наблюдаемого поля антенной системой и ее носителем. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- проведения поиска и анализа перспективных направлений и методов исследования и разработки сверхширокополосных антенн для комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования;
- разработки и апробации методик оптимизации характеристик ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот;
- создания и анализа эффективности методик параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны;
- разработки и исследования радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных элементов с тороидальной и игольчатой диаграммой направленности;
- создания и исследования методик синтеза и анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования, позволяющих существенно уменьшить систематическую погрешность пеленгования источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот;
- разработки и исследования сверхширокополосных антенн для аппаратуры радиомониторинга, отличающихся повышенной действующей длиной при малых габаритных размерах;
- разработки и верификации методики автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенн комплексов радиоконтроля; создания и отладки программных средств реально-временной обработки принимаемых сигналов и компенсации систематических погрешностей пеленгования, обусловленных дифракционными явлениями; исследования, разработки, создания и натурных экспериментальных испытаний семейства аппаратно-программных комплексов радиоконтроля, оснащенных антенными решетками.
Методы исследования. При выполнении работы использованы методы анализа и синтеза теории антенн, вычислительные методы технической электродинамики, методы математического моделирования, методы натурных экспериментальных измерений характеристик антенн. Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложен и апробирован ряд методик оптимизации характеристик ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе частот, позволяющих проводить их параметрический синтез на различных уровнях представления о протекающих физических процессах (квазистатического приближения, сеточного тонкопроволочного представления полосков, использования Фредгольмовских векторных интегральных уравнений 2-го и 1-го рода для анализа антенных устройств с гладкими и гофрированными полосками соответственно) и на базе разных принципов построения оптимизационной процедуры - от полуэмпирического до эволюционного;
- созданы и исследованы методики параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с фиксированной и электронно-управляемой поляризационной чувствительностью, основанные на совместном использовании квазистатической и строгой электродинамической (построенной на основе векторных интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода) моделей излучателей, а также на представлении анализируемой электродинамической структуры в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников, параметры которых находятся с помощью генетического алгоритма;
- разработаны методики проектирования линейных и кольцевых радио-пеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных элементов с игольчатой диаграммой направленности, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров, антенн Вивальди); предложены быстрые алгоритмы и способы повышения точности пеленгования источников радиоизлучения в широкой полосе частот с помощью малоэлементных антенных решеток, состоящих из направленных и ненаправленных в азимутальной плоскости излучателей;
- предложен и исследован ряд методик анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа мобильного базирования, использующих модели описания дифракционных искажений структуры измеряемого электромагнитного поля различного уровня электродинамической строгости (от представления корпуса носителя в виде совокупности непересекающихся металли 12 ческих полос, сходящихся к каждому вибратору антенной решетки, до игнорирования искажений поля, вносимых электрически короткими вибраторами; использования быстросходящейся итерационной процедуры решения векторных интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода в частотной области, а также решения векторных интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода в частотной и временной областях), позволивших создать программные средства реально-временной коррекции измеренных пеленгов и реализовать процедуру оптимального (в смысле минимума усредненной по частоте и азимуту ошибки пеленгования источников радиоизлучения) размещения элементов антенной решетки на корпусе носителя;
- разработаны и исследованы сверхширокополосные антенны для аппаратуры радиомониторинга, отличающиеся повышенной действующей длиной при малых электрических размерах, что позволило развить перспективные тенденции к созданию антенных устройств, характеризующихся уменьшенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона с коэффициентом перекрытия до нескольких сотен раз.
Практическая ценность работы заключается в создании ряда комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования, оснащенных сверхширокополосными антеннами, конкурентоспособных с лучшими зарубежными и отечественными аналогами. Разработана методика автоматизированного проектирования высокоэффективных сверхширокополосных и широкополосных антенных устройств и систем, состоящих из направленных и ненаправленных элементов, в минимальной степени искажающих структуру принимаемых электромагнитных волн, пригодная не только при создании комплексов радиоконтроля, но и аппаратуры радионавигации, радиосвязи и приема-обработки данных, радиолокации.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в: в/ч 11135, ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ (г. Воронеж), ГНИИИ ПТЗИ ФСТЭК РФ (г. Воронеж), Военном институте радиоэлектроники МО РФ (г. Воронеж), филиале ФГУП «Радиочастот 13 ный центр Центрального федерального округа» в Воронежской области, ВВТУ
ФСО РФ (г. Воронеж), Воронежском институте МВД РФ, ОАО заводе «Электросигнал» (г. Воронеж), ЗАО научно-внедренческом предприятии «ПРОТЕК» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в Воронежском государственном техническом университете при курсовом и дипломном проектировании студентов специальности «Радиотехника», а также в лабораторных работах по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны».
Основные положения, выносимые на защиту:
- методики оптимизации ТЕМ- рупоров с гладкими, гофрированными и сетчатыми полосками, позволившие создать сверхширокополосные антенные элементы с существенно уменьшенными значениями нижней граничной частоты функционирования;
- методики параметрического синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с фиксированной и электронно-управляемой поляризационной чувствительностью, с помощью которых синтезированы излучатели, значительно превосходящие по входным характеристикам антенну Вивальди эквивалентных геометрических размеров;
- методики проектирования линейных и кольцевых антенных решеток из изотропных и направленных в азимутальной плоскости сверхширокополосных элементов, не имеющих фазового центра; алгоритмы и способы оценки угловых координат источников радиоизлучения, позволяющие существенно повысить разрешающую и пропускную способность аппаратуры радиоконтроля, точность пеленгования, а также расширить ее зону действия;
- методики анализа радиопеленгаторных антенных решеток вибраторного типа, расположенных на мобильном носителе (микроавтобусе, самолете), а также процедура оптимального размещения на нем антенных элементов, позволившие создать сверхширокополосные антенные системы и программные средства, существенно снижающие систематическую погрешность пеленгования, вызванную дифракционными явлениями;
- перспективные тенденции создания сверхширокополосных антенных устройств для аппаратуры радиомониторинга, характеризующихся уменьшенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона и повышенной действующей длиной.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на междунар. НТК «Радиолокация, навигация и связь» (г. Воронеж, 1998-2005 гг.), 4-й междунар. НТК «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» (г. Воронеж, 1999 г.), Всероссийском семинаре «Реализация концепции совершенствования системы радиоконтроля в Российской Федерации» (г. Санкт-Петербург, 1999 г.), Всероссийской НТК «Информационно-телекоммуникационные технологии» (г. Москва, 2003 г.), 3-й междунар. НТК «Wireless Security Technologies (IWWST)», (г. Лондон, 2005 г.), Ill НТК «Радиооптические технологии в приборостроении» (г. Сочи, 2005 г.), 6-й междунар. НТК «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж, 2005 г.), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (г. Воронеж, 1983-2005 гг.), МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2005 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержаться в 119 печатных работах, в том числе: в 2 монографиях, 19 статьях (из них 60 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов докторских диссертаций), 18 докладах на научно-технических конференциях и семинарах, 8 патентах и заявках на изобретение РФ, 1 отчете по НИР, 11 компьютерных программах, зарегистрированных в ГОСФАП РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: постановка задач; обоснование используемых и модификация известных методов; разработка критериев и алгоритмов оптимизации характеристик антенн; разработка алгоритмов коррекции дифракционных искажений пеленгов; участие в обсуждении всех полученных результатов; обоснование возможности использования полученных результатов в разрабатываемой аппаратуре. Соискателем определялась методология верификации математических моделей и численных методов анализа на основании полученных экспериментальных данных. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи
глав, заключения, списка литературы и 10 приложений. Работа содержит 616 страниц основного машинописного текста, 352 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 235 наименований использованных источников.
В главе 1 диссертации проведен анализ перспективных направлений и методов исследования и разработки сверхширокополосных антенн для комплексов радиоконтроля стационарного и мобильного базирования.
В качестве наиболее перспективных направленных сверхширокополосных антенн, пригодных для использования в современной аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга, в диссертации выделены ТЕМ- рупоры и щелевые антенны бегущей волны, вопросам анализа и параметрического синтеза которых посвящены главы 2 и 3 соответственно. Показано, что статические модели вышеупомянутых антенн могут эффективно использоваться в процедурах их параметрического синтеза наряду со строгими математическими моделями, основанными на использовании аппарата векторных интегральных уравнений Фредгольмовского типа 1-го и 2-го рода. Приведены примеры использования модификации генетического алгоритма для оптимального синтеза рассматриваемых сверхширокополосных антенн, основанных, как на строгой математической модели их возбуждения (модулированный ТЕМ- рупор), так и на идее перехода от исходной электродинамической модели к эквивалентной многокаскадной схеме последовательно соединенных четырехполюсников (щелевая антенна бегущей волны).
Вопросы построения и функционирования в режиме пеленгации источников радиоизлучения антенных решеток, состоящих из направленных и ненаправленных элементов, рассмотрены в главе 4. Исследованы возможности минимизации систематических погрешностей пеленгования, вызванных электродинамическим взаимодействием направленных излучателей кольцевых и линейных антенных решеток, за счет использования в качестве последних элементов, обладающих малыми значениями модуля взаимного сопротивления за счет преимущественной концентрации энергии поля между металлических по 16
лосков или в щелевой пространственной области - ТЕМ- рупоров и антенн бегущей волны типа Вивальди. Продемонстрирована эффективность использования предложенной в работе итеративной модификации метода наведенных ЭДС для проведения реально-временной компьютерной коррекции измеренного в натурных условиях с помощью вибраторной антенной решетки пеленга источника радиоизлучения. Путем численного моделирования и натурного эксперимента показано, что линейные и кольцевые антенные решетки, состоящие из направленных сверхширокополосных антенн, не обладающих фазовым центром, могут успешно применяться для оценки угловых координат источников в широкосекторных и полноазимутальных радиопеленгаторах. Исследовано влияние металлического короба, в котором расположена антенная решетка, на точность определения пеленгов; предложен и апробирован способ снижения систематических ошибок пеленгования, основанный на использовании печатной поглощающей структуры, состоящей из плоских биконических вибраторов над экраном, нагруженных на бескорпусные резисторы.
В главе 5 рассмотрены методики анализа и минимизации негативного влияния корпуса носителя пеленгаторний антенной системы на точность оценки угловых координат источников радиоизлучения. Предложен эффективный итерационный метод решения в пространственно-частотной области векторного интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода, основанный на трактовке каждого шага итерации как определенного временного этапа установления стационарного режима дифракции электромагнитной волны на объекте рассеяния - идеально проводящем корпусе носителя, позволяющий обойтись без обращения матрицы системы линейных алгебраических уравнений большого порядка и получить оценку рассеянного поля более точную, чем приближение физической оптики в области главного лепестка диаграммы рассеянного излучения. Описана эвристическая модель, положенная в основу методики реально-временной коррекции измеренного в натурных условиях пеленга с помощью мобильного комплекса радиопеленгации. Рассмотрены особенности пеленгации источников в резонансной области частот с помощью вибраторной антенной решетки, установленной на самолете; показана возможность существенного упрощения модели дифракции волн на самолете при сохранении ее адекватности в широких секторах углов падения электромагнитной волны путем замены исходного объекта рассеяния - корпуса всего самолета на его фюзеляж - фигуру вращения (без крыльев и хвостового оперения). Описаны особенности использования данных натурных измерений для построения реально-временной программной коррекции пеленга, искаженного корпусом носителя антенной решетки - микроавтобуса. Предложена и апробирована упрощенная методика анализа вибраторной антенной решетки мобильного базирования, основанная на переходе от исходной электродинамической структуры «антенная решетка -корпус носителя» к эквивалентной, более простой структуре - корпусу носителя. Предложена методика оптимального пространственного размещения элементов пеленгаторной антенной решетки на корпусе мобильного носителя, путем численного моделирования показана ее адекватность и эффективность.
Вопросам исследования и разработки широкополосных и сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга посвящена глава 6 диссертации. Подтверждена перспективность использования модулированных спиралей Архимеда, линейной модификации Архимедовской спирали и плоского бико-нического вибраторов в качестве высокоэффективных антенн с малыми габаритными электрическими размерами. Показана возможность создания антенн в печатном исполнении, функционирующих в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия до нескольких сотен раз.
Глава 7 диссертационной работы посвящена описанию разработанных программных средств, предназначенных для моделирования и синтеза широкополосных и сверхширокополосных направленных и слабонаправленных антенн мобильных и стационарных комплексов радиоконтроля, а также программных продуктов, созданных для автоматизации обработки информации и компенсации систематических погрешностей пеленгования дифракционного рода в сверхширокой полосе рабочих частот.
Анализ возможностей и эффективности применения программ электродинамического моделирования при исследовании и разработке сверхширокополосных антенн стационарных и мобильных комплексов радиоконтроля
В настоящее время бурно развивается область численного электромагнитного моделирования антенно-фидерных и СВЧ устройств с помощью специализированных программных комплексов - систем электромагнитного моделирования [10-20]. Относительно недавно появился ряд новых систем электромагнитного моделирования (EMC Studio, EMSS FEKO, SuperNEC и др.), кроме того, интенсивно развивается существующее программное обеспечения ряда фирм (Ansoft, CST, Zeland, Remcom, Sonnet и др.).
Решающие модули этих систем реализуют различные вычислительные методы для моделирования электромагнитных устройств. Эти методы можно разделить на основании способа решения уравнений Максвелла: в частотной или временной области:методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла в частотной области:FEM - Finite Element Method (метод конечных элементов);FIT - Finite Integration Technique in Frequency Domain (метод конечных интегралов в частотной области);МоМ - Method of Moments (метод моментов);РО - Physical Optics approximations (метод физической оптики (МФО));UTD - Uniform Theory of Diffraction (однородная теория дифракции (ОТД)); FFT - Fast Fourier Transform (FFT) and modified spectral-domain method ofmoments (метод моментов, модифицированный для спектральной области наоснове быстрого преобразования Фурье).методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла во временной области:FDTD - Finite Difference Time Domain (конечно-разностный метод во временной области);FIT - Finite Integration Technique, in Time Domain (метод конечных интегралов во временной области).
В рамках даже такой специализированной области, как численное электромагнитное моделирование антенно-фидерных и СВЧ устройств, существование большого количества различных систем моделирования оправдывается, с одной стороны, их специализацией, с целью максимального использования преимуществ различных методов при проектировании определенных классов радиочастотных устройств на электродинамическом уровне. С другой стороны, даже такие системы моделирования, которые используют очень близкие вычислительные методы, реализуют эти методы с использованием оригинальных алгоритмов, которые обеспечивают этим системам повышенную производительность или экономичность в использовании памяти.
Кроме того, практические возможности использования при разработке конкретных устройств и, соответственно, коммерческий успех систем электромагнитного моделирования, в значительной степени определяются следующими их основными характеристиками: функциональными возможностями; способами ввода геометрии устройств; доступными формами вывода результатов моделирования; наличием возможности проведения параметрических расчетов и оптимизации геометрии по выходным характеристикам.
Так, для разработки устройств, с преимущественно планарными структурами (микрополосковые и полосковые СВЧ-цепи, рис. 1.8) эффективно используются САПР на основе различных реализаций метода моментов (IE3D, FEKO, TriD, Momentum, Sonnet, EMSight).
Системы моделирования на основе варианта метода моментов, созданного для электрически тонких проводников (SuperNEC, NEC, Mmana), преимущественно используются для моделирования проволочных антенн или решения электродинамических задач, для которых представление объектов в такой форме является приемлемым, рис. 1.9.
Для широкополосных антенных и волноводных устройств (рис. 1.10), с преимущественно трехмерными сложными конструкциями, целесообразно использовать системы на основе различных реализаций конечно-разностного метода во временной области (Zeland FIDELITY, IMST EMPIRE, APLAC, Remcom XFDTD, CST Microwave Studio).
Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора в сверхширокой полосе частот на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода
При создании мобильной и носимой аппаратуры радиоконтроля и радиопеленгования, предназначенной для оценки местоположения и измерения основных характеристик источников радиоизлучения СВЧ диапазона волн, которые с одинаковой вероятностью могут функционировать в любом его поддиапазоне, важно использовать антенные устройства, обладающие следующими свойствами; высоким значением коэффициента перекрытия по частоте в каждой литере (до 10 и более); малыми габаритными размерами, позволяющими встраивать антенну непосредственно в корпус приемника (который может располагаться, например, в стандартном кейсе); достаточно высоким коэффициентом усиления, а следовательно, и хорошей степенью согласования с фидерным трактом для обеспечения достаточно высокого энергетического потенциала вышеупомянутых комплексов [76-79].
Необходимо также подчеркнуть, что актуальной задачей является создание сверхширокополосных антенн, эффективно принимающих (или, согласно электродинамическому принципу взаимности, излучающих) электромагнитные колебания и достаточно низких частот (на которых геометрические размеры антенны существенно меньше длины волны в свободном пространстве). Расширение полосы рабочих частот каждой антенной литеры позволяет упростить схемное решение узлов коммутации СВЧ энергии и за счет этого расширить эксплуатационные возможности аппаратуры, придав ей новые эксплуатационные качества.
Как было выяснено в подразделе 2.1, весьма перспективными широкополосными антеннами СВЧ диапазона, которые легко возбудить с помощью стандартных коаксиальных разъемов (или полосковых линий), являются ТЕМ-рупоры [100-101]. В работе [83] предложена модификация ТЕМ- рупора, состоящая из двух плоских металлических пластин с неравномерным законом распределения их ширины вдоль оси антенны, рис. 2.2, 2.9 (рис. 2.9 являетсяукрупненным фрагментом рис. 2.2, позволяющим более подробно рассмотретьконструктивное исполнение рассматриваемого антенного устройства).
В подразделе 2.1 было выяснено, что модулируя подобным образом волновое сопротивление эквивалентной ТЕМ- рупору неоднородной полоско-вой линии, можно существенно улучшить степень ее согласования с питающим фидером; при этом имеется возможность, используя несимметричную структуру линии, запитывать ее непосредственно от несимметричной полосковой линии или от стандартного коаксиального разъема (в этом случае конструкция антенны, состоящая из двух тонких плоских металлических пластин и стандартного коаксиального разъема, выполняет одновременно функции согласования с фидерной линией, симметрирования и диаграммообразования). В ходе исследований возможных законов продольного распределения волнового сопротивления (линейного, экспоненциального, Чебышевского) было выяснено, что экс поненциальная зависимость близка к оптимальной по совокупности характеристик антенного устройства (входного сопротивления, направленных свойств и коэффициента усиления в полосе рабочих частот).
Интересно, что модуляция волнового сопротивления даже по экспоненциальному закону (что еще не является оптимальным) позволяет уменьшить значение нижней частоты рабочего диапазона почти вдвое по сравнению с пирамидальным ТЕМ- рупором одинаковых габаритных размеров при уровне коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) не более 4, что является допустимым в случае приемных антенн с коэффициентом перекрытия порядка 10.
Использование выражения (23) для синтеза ТЕМ- рупора с экспоненциальным законом продольного распределения волнового сопротивления приводит к получению несколько лучших входных характеристик, чем при использовании аналогичного выражения (2Л), однако, нельзя забывать, что обе зависимости (2.1, 23) были изначально получены для расчета погонных параметров регулярных линий передачи (практически - с постоянным сечением, свойствами материалов и большой электрической длиной). При этом степень их точности быстро уменьшается при увеличении отношения tIB из-за того, что при их выводе пренебрегали наличием силовых линий электромагнитного поля, существующего вне пространства, заполняющего поперечное сечение полосковой линии (при достаточно больших значениях отношения t/B в пространстве вокруг полосковой линии может передаваться даже большее значение энергии электромагнитного поля, чем в пространстве между полосками). Кроме этого, при проектировании нерегулярных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях линий передачи и антенн, характеризующихся малой электрической длиной, необходимо в полной мере учитывать имеющие место краевые эффекты, существенно влияющие на их характеристики.
В данном подразделе предложена электростатическая модель нерегулярного ТЕМ- рупора с линейной формой раскрыва и экспоненциальным распределением волнового сопротивления вдоль его продольной оси у (рис. 2.10),позволяющая провести коррекцию формы и размеров полосков рупора в соответствии с критерием минимизации модуля коэффициента отражения в месте соединения антенны с фидерной линией и повысить значение ее коэффициента усиления в наиболее «проблемных» низкочастотной и среднечастотной областях рабочего диапазона.
Методика синтеза сверхширокополосных щелевых антенн бегущей волны с использованием их квазистатической и строгой электродинамической моделей
Проведенные в подразделе 3.1 исследования показали, что существенно улучшить направленные свойства и согласование с фидерной линией можно, используя экспоненциальную зависимость от продольной координаты не ширины щели, как это делается в случае антенны Вивальди, а волнового сопротивления щели на среднегеометрической частоте рабочего диапазона. Были предложены также и другие законы осевого распределения волнового сопротивления щели, при которых также существенно улучшаются основные антенные характеристики щелевых антенн бегущей волны по сравнению с устройствами, описанными в работах [123-128], в частности, логопериодический закон. В упомянутых выше публикациях приводятся выражения для волнового сопро тивления и коэффициента замедления щелей, прорезанных в экранах бесконечной длины и ширины. Данные выражения применимы для весьма ограниченных пределов изменения геометрических и электрических параметров щелевых структур бегущей волны; кроме этого, они не учитывают наличия эффектов концентрации силовых линий поля на внешних торцах печатной платы, размер которой может быть меньшим, чем половина длины волны на минимальной частоте рабочего диапазона, что может давать существеннуго ошибку в оценке величины таких распределенных параметров щелевой линии, как погонная емкость и волновое сопротивление.
В настоящем подразделе предпринята попытка создания методики автоматизированного проектирования антенн указанного класса на основе сочетания их моделирования в квазистатическом приближении и с использованием «лобового» аппарата векторных интегральных уравнений электродинамики [108, 129]. Квазистатическая модель позволяет построить профиль нерегулярной щели, обладающей заданным законом осевого распределения погонных параметров с учетом имеющихся торцевых неоднородностей в структуре поля, а строгая электродинамическая модель, построенная на базе интегральных уравнений электродинамики Фредгольмовского типа 1 -го рода, позволяет провести анализ основных антенных характеристик исследуемой структуры.
Поперечное сечение щелевой линии, проводники которой расположены по разные стороны диэлектрической подложки (что позволяет на той же печатной плате реализовать полосковый симметрирующий и согласующий трансформатор без ее «прошивки»), показано на рис. 3.17.
Диэлектрическая проницаемость сред, показанных на рис. 3.17, была выбрана следующим образом: диэлектрическая подложка толщиной 0,5 мм характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью г =3.48 (материал марки «Роджерс»), (пх-241, nze[l5; 57]); окружающая среда-воздух, г = 1. Будем считать, что на границах воздуха и подложки, в пределах одного шага сетки значения электрического потенциала поля изменяются незначительно (справедливость подобного подхода обоснована в монографии [106]). полосках постоянны и равны ± 0.5 В.
Была исследована сходимость данного итерационного процесса путем сравнения пространственного распределения электрического потенциала поля в непосредственно близости от щелевой антенны. Результаты моделирования позволяют сделать вывод, что для достижения степени точности, достаточной для проведения эффективного автоматизированного проектирования антенного устройства, включающего неоднородный диэлектрик, достаточно использовать (2000-И2000) итераций. При этом проведение 2000 итераций обеспечивает точность решения не хуже 1.5%, что уже вполне достаточно для широкого круга практических задач.выражениями, легко получаемыми с помощью методики, описанной в монографии [106]: N
Изменение картины пространственного распределения электрического потенциала поля в регулярной структуре с щелью шириной W = 4 мм при увеличении числа итераций иллюстрируется рис. 3.19.
Из рис. 3.19 видно, что структура поля вблизи подложки устанавливается уже при проведении (1000- 2000) итераций, далее изменения касаются в основном лишь распределения потенциала в удаленных от антенны точках пространства. Быстрое убывание поля в направлениях, перпендикулярных плоскости подложки, позволяет на базе подобных щелевых структур формировать линейные и плоскостные антенные решетки со сравнительно малым периодом от носительно наименьшей длины волны рабочего диапазона. Это позволяет сочетать малую величину ошибок пеленгования (радиолокации) источников радиоизлучения (переизлучения), обусловленную слабой степенью взаимной связи элементов решетки по внешнему полю, с однозначностью оценки угловых координат даже при углах падения волны, близких к касательному на верхней частоте рабочего диапазона.
Полученные с помощью вышеизложенной квазистатической модели зависимости, описывающие взаимосвязь ширины щели и величины волнового сопротивления для выбранного типа подложки, показаны на рис. 3.20,3.21.Рис. 3.21. Зависимость ширины щели антенны бегущей волны в печатномисполнении от требуемого значения волнового сопротивленияв квазистатическом приближении Они существенным образом отличаются от подобных зависимостей, полученных с помощью приближенных выражений для щелевой структуры бесконечной ширины, приведенных в [123-128]. Данные отличия определяют разницу в геометрии щели в случаях синтеза антенны в квазистатическом приближении с учетом конечных ее размеров; ее конфигурации, определяемой полуэмпирическими формулами вычисления величины волнового сопротивления [123-128] при экспоненциальном законе распределения волнового сопротивления вдоль оси структуры для антенны-прототипа; а также для случаев описанных в литературе [123-128] антенны Вивальди и щелевой антенны с линейно-расширяющейся щелью, рис. 3.22.
Из рис. 3.22 следует, что в начальном и серединном участках антенны (относительно точек ее запитки) ширина щели при синтезе ее профиля с использованием модели, построенной в квазистатическом приближении, существенно шире, чем у антенны Вивальди и антенны-прототипа. Последняя же треть длины антенны характеризуется шириной щели, практически совпадающей с линейным законом расширения щели (подобно случаю ЩАЛШ). Ранее проведенные исследования позволили установить, что при расширении щели относительно ее формы у антенны Вивальди, и переходу к экспоненциальной зависимости волнового сопротивления от продольной координаты (пунктирная линия на рис. 3.22) улучшаются направленные свойства антенного устройства и его входные характеристики.
Результаты моделирования в квазистатическом приближении показывают, что ширина щели для достижения лучших характеристик антенного устройства должна быть еще шире, чем у антенны-прототипа, но уже, чем у ЩАЛШ. Уточнение необходимой формы щели может быть проведено с использованием аппарата векторных интегральных уравнений электродинамики.
Рассмотрим модель возбуждения синтезированной щелевой антенны бегущей волны посредством порта, представляющего собой открытый конец по-лосковой линии передачи с одинаковой шириной полосков, основанную на использовании метода векторных интегральных уравнений 1-го рода.
Разработка и исследование кольцевой антенной решетки из пирамидальных ТЕМ- рупоров, предназначенной для использования в амплитудно-фазовом радиопеленгаторе
Пирамидальные ТЕМ- рупоры находят все более широкое применение благодаря их широкой полосе рабочих частот, простоте запитки с помощью по-лосковой линии, а также их малым габаритным размерам, массе и стоимости по сравнению с аналогами волноводного типа [100-101]. К сожалению, как и вол новодные рупорные антенны, ТЕМ- рупоры не имеют фазового центра: геометрическое положение некоего подобия центра их излучения - «квази- центра излучения» зависит не только от частоты, но и от направления излучения.
Несомненным достоинством пирамидальных ТЕМ- рупоров следует считать возможность довольно близкого их пространственного расположения в составе кольцевой антенной решетки, используемой для решения задач радиолокации или радиопеленгации. Необходимо отметить, что традиционно используемые в радиопеленгаторных комплексах логопериодические вибраторные антенны нельзя размещать в антенной решетке ближе, чем на расстоянии, равном половине длины волны самой низкой частоты рабочего диапазона - в противном случае качество их согласования с питающей линией и направленные свойства резко ухудшаются. В известных конструкциях вибраторных логопериоди-ческих антенн излучатели располагаются тем дальше от точек запитки, чем больше значение длины волны, на которой они резонируют, поэтому в кольцевой антенной решетке самые длинные вибраторы соседних логопериодических антенн располагаются ближе всего друг к другу (а именно эти вибраторы оказываются наиболее сильно связанными между собой по внешнему полю). Помимо значительных неудобств запитки и согласования логопериодических вибраторных структур, изготовленных по печатной технологии, при включении последних в состав кольцевой антенной решетки невозможно минимизировать ее габаритные размеры и, вместе с тем, обеспечить удовлетворительные энергетические характеристики антенных элементов из-за их рассогласования с фидерной линией и «развала» диаграммы направленности прежде всего в самой «проблемной» - низкочастотной области рабочего диапазона.
Напротив, в ТЕМ- рупорах подавляющая доля энергии поля сконцентрирована в пространстве между верхней и нижней металлическими стенками, образующими данные антенные устройства, поэтому они могут находиться друг от друга на расстоянии, существенно меньшем длины волны, и практически «не мешать» функционированию соседнего антенного элемента. Особенно удобным вариантом расположения пирамидальных ТЕМ- рупоров в антенной решетке, вытекающим как из их геометрических свойств, так и из особенностейструктуры их поля, является образование решетки кольцевой формы.
Целью настоящей работы являлось выяснить, возможно ли в случае использования в качестве элементов кольцевой пеленгаторной антенной решетки пирамидальных ТЕМ- рупоров, наряду с обеспечением высокого значения энергетического потенциала радиопеленгатора (коэффициент усиления пирамидального ТЕМ- рупора растет с увеличением частоты), удовлетворить требованию высокой точности оценки угловых координат источников радиоизлучения в широкой полосе частот. Проведенные исследования, некоторые результаты которых приведены ниже, показали возможность сочетания высоких точностных и энергетических характеристик вышеупомянутой антенной системы с ее малыми габаритными размерами, высокой технологичностью изготовления, простотой коммутации ее элементов, легкостью программной реализации алгоритма оценки угловых координат источников радиоизлучения СВЧ диапазона волн и возможности обеспечения высокой пропускной способности радиопе-ленгаторного комплекса (благодаря малому числу и простоте вычислительных процедур предлагаемого алгоритма пеленгации).
Исследуемая антенная решетка состояла из семи пирамидальных ТЕМ-рупоров, расположенных по кольцу с одинаковым расстоянием друг от друга (поляризация принимаемых волн - вертикальная), рис. 4.20.
Рассматривалась возможность пеленгации источников радиоизлучения в диапазоне частот от 1 ГТц до 8 ГГц с помощью антенной решетки, имеющей следующие геометрические параметры: размеры раскрыва рупоров составляли в Н- и Е- плоскостях соответственно А = 60 мм и В = 60 мм; осевая длина рупоров - 1 = 110 мм; внутренний диаметр решетки принимал два значения -DeHymp =50 мм и D =100 мм. Принималось, что каждый из рупоров нагружен на усилитель с чисто активным входным сопротивлением 150 Ом, равным среднему значению активной части входного сопротивления рупора в рабочей частотной области его функционирования (частоты выше 2.5 ГГц, где уровень КСВН принимал значения меньшие 2.0).
