Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 КРАТКИЙ АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ 21
11. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 11
12. ПРИНЦИПЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ В РЕШЕТКАХ 11
13. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВОГО СКАНИРОВАНИЯ 13
1.4 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ 17
1.4 Л.. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ.. 17
1.4 2. СПЕЦИФИКА ВЫБОРА КАНАЛИЗИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ 19
1.4 3 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТІ ІОГО СКАНИРОВАНИЯ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ 22
1А А АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЫ 1ЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЫ1ЫМ ПОЛЫМ ВОЛНОВОДАМ 23
1.4 5. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТІ ЮГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЩЕЛЕВЫМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ВОЛНОВОДАМ ПОЛНОСТЬЮ
ЗАПОЛНЕННЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ 26
1.4 В. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАІІИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗЛИЧНЫМ КОНФИГУРАЦИЯМ ЩЕЛЕВЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ
ВОЛНОВОДОВ,ЧАСТИЧНО ЗАПОЛНЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИКОМ 31
1.4 1 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ,РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО УЗКИМ СТЕНКАМ В
ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ 33
1.4 2 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕІ1ИТЕЛЫЮ К ВОЛНОВОДАМ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ РАСПОЛОЖЕННЫМИ СИММЕТРИЧНО ОКОЛО
УЗКИХ СТЕНОК .43
1.4 3 .ЧАСТОТНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ С ОДНОЙ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕНКИ 46
1А .7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО
СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ ВОЛНОВОДАМ .48
1.4 JB. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ВОЛНОВОДАМ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ 52
1А 9. СПЕЦИФИКА ЧАСТОТНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СЛАБО
ДИСПЕРСИОННЫМ И НЕДИСПЕРСИОННЫМ СТРУКТУРАМ 54
15. ВЫВОДЫ 56 2 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО
СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР 57
21. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ
НЕДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР 57
2 2. ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СХЕМ ІІЕЛИНЕЙНОГО
СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 2
2 3 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ
ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНИЙ
ЗАДЕРЖКИ 32
2.4 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО
СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ ЛИНЕЙКИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 102
25. ВЫВОДЫ 110
3 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР
3 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СТРУКТУР 111
3 2 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ
ПОЛОГО ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА 112
321. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ 117
3 2 2. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАІІИРОВАНИЕ С СОХРАНЕНИЕМ СУММАРНОЙ ЧАСТОТЫ 134
3 3 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА,ПОЛНОСТЬЮ ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ 149 3.4 АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ВОЛНОВОДНО-ЩЕЛЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ
ПРЯМОУГОЛЬНОГО ВОЛНОВОДА, ЧАСТИМ НО ЗАПОЛНЕННОГО ДИЭЛЕКТРИКОМ 161
3 .4 1. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ ВОЛНОВОДУ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ,РАСПОЛОЖЕННОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНО
УЗКИМ СТЕНКАМ В ПЛОСКОСТИ СИММЕТРИИ 163
3 .4 2 НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ
ВОЛНОВОДУ С ДВУМЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЛАСТИНАМИ ВДОЛЬ УЗКИХ СТЕНОК .172
3 .4 3. НЕЛИНЕЙНОЕ СКАНИРОВАНИЕ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРЯМОУГОЛЬНОМУ
ВОЛНОВОДУ С ОДНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНОЙ ОКОЛО УЗКОЙ СТЕНКИ 175 З 5. СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗМЕЙКОВЫМ
ВОЛНОВОДАМ И ВОЛНОВОДАМ СЛОЖНЫХ СЕЧЕНИЙ 177
3 . АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕБРИСТЫМ СТРУКТУРАМ Л.78
3 .7. АНАЛИЗ ПРЕДЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И СПЕЦИФИКА НЕЛИНЕЙНОГО
СКАНИРОВАНИЯ ПРИ СМЕШАННОЙ ЗАПИТКЕ ЭКВИДИСТАНТНОЙ ЛИНЕЙКИ
ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 192
3.7 1. ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО КОАКСИАЛЬНОЙ ЗАПИТКЕ 192
3.7 2 ВОЗМОЖНОСТИ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ВОЛНОВОДНО ВОЛНОВОДНОЙ ЗАПИТКЕ 204
3 В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ... 211
3 Э ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОГО СКАНИРОВАНИЯ В ПРИЕМНЫХ
СИСТЕМАХ МЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 214
310 ВЫВОДЫ 218
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 219
ЛИТЕРАТУРА 221
Введение к работе
Решение целого ряда важных задач обнаружения объектов в сложной электромагнитной обстановке немыслимо без электрического управления диаграммой направленности (ДН) в максимально возможном секторе углов, что может быть удовлетворено в полной мере лишь с помощью активных или пассивных фазированных антенных решеток.
Известны различные способы электрического сканирования, различающиеся методами реализации необходимого сдвига фаз между излучателями, обладающие своими достоинствами и недостатками.
При наиболее распространенном фазовом сканировании изменение относительных фаз поля излучателей по раскрыву достигается с помощью аналоговых или дискретных фазовращателей, фаза выходящей электромагнитной волны в которых непрерывно или дискретно меняется в зависимости от управляющего тока или напряжения [1-6].
Использование аналоговых фазовращателей позволяет реализовать плавное изменение фазы в каждом фазовращателе и, как следствие, угловое перемещение ДН. При использовании дискретных фазовращателей осуществляется скачкообразное изменение фазы и положения ДН в пространстве. При замене фазовращателей коммутаторами, которые из набора излучателей с заданными фазами включают те, которые формируют ДН в нужном направлении, реализуется дискретно-коммутационное сканирование.
К достоинствам фазового сканирования следует отнести неизменность рабочей частоты радиосистемы и возможность реализации широкоугольного сканирования. Однако реализация фазового сканирования в больших многоэлементных решетках требует большого количества сравнительно дорогих фазовращателей, что приводит к существенному увеличению массы и стоимости конструкции, а также усложняет управление. Кроме того, эффективные фазовращатели разработаны и освоены промышленностью не для всех представляющих интерес частотных диапазонов. Поэтому поиск альтернативных способов сканирования продолжает привлекать внимание разработчиков антенных решеток.
При частотном сканировании изменение относительных фаз излучателей достигается путем изменения частоты генератора (в передающей антенне) или гетеродина приемника [1,7-32].
Основным преимуществом частотного сканирования является простота реализации: для управления положением луча достаточно наличия генератора с широким диапазоном перестройки частоты или сильно дисперсионной среды антенны при малой полосе частот генератора; при этом способе сканирования нет необходимости в фазовращателях, роль которых выполняют отрезки питающих канализирующих систем. Все это позволяет существенно снизить массу и стоимость конструкции.
Возможности частотного сканирования с точки зрения реализации сканирования луча в широком секторе углов зависят от применяемой канализирующей системы, выбора типа излучателей, закона их расположения и ряда других факторов.
Так, например, использование прямоугольного полого волновода позволяет реализовать сканирование в угловом секторе (12...60)° при синфазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены эквидистантно вдоль широкой стенки по одну сторону от нейтрали) и (-90.. .14)° при переменно-фазно связанных с волной излучателях (излучатели расположены попеременно по разные стороны от нейтрали) [9]. Для этого требуется изменение частоты (коэффициент частотного перекрытия) в 1,95 и 1,96 раза соответственно.
К настоящему времени достаточно подробно исследованы предельные возможности частотного сканирования при использовании в качестве канализирующих систем ребристых структур, прямоугольных полых волноводов и некоторых волноводно-диэлектрических структур, а также ряда недисперсионных структур.
Одним из способов уменьшения коэффициента частотного перекрытия, применимом при симметричном относительно нормали секторе сканирования, является коммутация направления питания. В этом случае при перемене направления бегущей волны направление излучения изменяется на симметричное относительно нормали к антенне, а коэффициент частотного перекрытия уменьшается в 2 раза при той же величине сектора сканирования.
Для уменьшения коэффициента частотного перекрытия при сканировании в несимметричном относительно нормали секторе можно использовать систему параллельных волноводов с разным периодом излучателей. Каждый волновод при одинаковой девиации частоты обеспечивает сканирование в соответствующем секторе. Сумма этих секторов должна быть равна полному сектору сканирования. При достаточно большом числе параллельных волноводов заданный сектор сканирования может быть перекрыт при достаточно малом коэффициенте частотного перекрытия. Подобные способы уменьшения коэффициента частотного перекрытия усложняют управление антенной и приводят к увеличению массы конструкции.
Другим способом уменьшения коэффициента частотного перекрытия является применение структур с высокой дисперсией. Так, например, при использовании в качестве канализирующей системы ребристой структуры возможно перекрытие практически полного сектора сканирования при коэффициенте частотного перекрытия, существенно меньшей, чем в случае прямоугольного полого волновода (изменение частоты на несколько процентов) [11] .
В последнее время благодаря прогрессу в области разработки новых высококачественных диэлектриков, имеющих малые потери в СВЧ-диапазоне, возрос интерес к волноводно-диэлектрическим структурам [13-17]. Изменение местоположения, толщины и диэлектрической проницаемости диэлектрика в подобных структурах позволяет в широких пределах изменять рабочий диапазон частот, влияющий на сектор сканирования. Кроме того, наличие диэлектрика увеличивает дисперсию системы, уменьшая тем самым необходимый коэффициент частотного перекрытия.
В ряде случаев возможно использование в качестве канализирующей системы змейковых волноводов [18-20] и волноводов сложных сечений (П-и Н-волноводов) [21-25].
Наряду с дисперсионными системами частотное сканирование может быть реализовано также применительно к недисперсионным системам [26-28]. Однако для реализации широкоугольного сканирования в этом случае существенно возрастет коэффициент частотного перекрытия. Анализ частотного сканирования с точки зрения реализации предельных возможностей качания луча при использовании различных канализирующих систем проведен в первой главе.
Частотный способ сканирования свободен от недостатков, присущих фазовому сканированию, но в его традиционной реализации частота используется как управляющий параметр, что является ограничивающим фактором с точки зрения оптимального приема и помехозащищенности. Поэтому разработка способов сканирования, обладающих достоинствами частотного способа и свободных от присущих ему ограничений, является практически важной задачей.
В 1997 году был предложен новый способ электрического сканирования, позволяющий реализовать качание луча без использования фазовращателей при неизменной частоте излучаемого колебания. Суть предложенного способа состоит в суперпозиции волн от двух расположенных в разных точках пространства источников (генераторов), излучающих колебания с различными переменными частотами [33-35]. При этом частоты обоих генераторов изменяются синхронно таким образом, чтобы их разность или сумма оставалась неизменной. Суммарное поле этих источников детектируется на нелинейных элементах, встроенных в излучатели. В результате на выходе нелинейных элементов возникает колебание, содержащее разность и сумму частот первичных источников. Одно из таких колебаний выделяется с помощью полосовых фильтров и излучается в свободное пространство излучателями, настроенными на частоту выделенной комбинационной составляющей. Изменение фазового распределения вдоль линейки излучателей, необходимое для реализации сканирования, создается за счет использования геометрических особенностей цепей запитки излучателей линейки.
Отличительной и важной особенностью этого способа сканирования является сочетание достоинств как фазового (неизменность частоты излучаемого колебания), так и частотного (отсутствие необходимости в фазовращателях) способов. Поскольку в таком способе сканирования используются нелинейные преобразования, он далее для краткости именуется нелинейным сканированием.
Такое нелинейное сканирование было апробировано в системах пространственной запитки линейки излучателей в свободном пространстве (г. Пущино) [36] и микрополосковой линии передачи [37-38].
Основной целью настоящей диссертационной работы является исследование различных схем реализации нового способа сканирования без использования фазовращателей и определение предельных возможностей этого способа в отношении обеспечения максимального сектора сканирования при минимальной ширине полосы используемых частот.
Для достижения указанной цели проведены следующие работы: 1. Проанализированы имеющиеся данные о секторах сканирования в различных канализирующих системах при частотном сканировании.
2.Разработаны принципы нелинейного сканирования и исследованы его возможности при последовательной запитке линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при запитке линейки излучателей колебаниями двух первичных источников, подводимых по различным канализирующим системам (смешанная запитка).
3.Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования (максимальный сектор сканирования, ширина полосы используемых частот первичных источников, максимальное количество излучателей в линейке) при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях.
4.Проведены модельные расчеты и исследованы предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных системах.
5.Получены экспериментальные подтверждения возможности реализации нелинейного сканирования в одной из дисперсионных канализирующих систем. В первой главе диссертационной работы дан краткий анализ основных способов электрического сканирования и имеющихся сведений о предельных секторах сканирования, реализуемого частотным способом. Вторая глава посвящена развитию теории нелинейного сканирования, проведению модельных расчетов и исследованию предельных возможностей нелинейного сканирования при пространственной запитке эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве, при различных конфигурациях. В ней также исследуются предельные возможности нелинейного сканирования при различных схемах запитки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах. Третья глава посвящена разработке принципов нелинейного сканирования и исследованию его возможностей при последовательной запитке линейки излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, а также при смешанной запитке излучателей линейки. В этой части приведены также результаты экспериментальных исследований по подтверждению возможности реализации нелинейного сканирования применительно к дисперсионной канализирующей системе (полый прямоугольный волновод). В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в рамках данной диссертационной работы, и определены перспективы дальнейшего развития нелинейного сканирования.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Новые принципы нелинейного сканирования для вариантов с последовательной запиткой линеек излучателей, расположенных в дисперсионных канализирующих системах, и при смешанной запитке линейки излучателей.
2.Физические и математические модели различных схем нелинейного сканирования и результаты модельных расчетов для варианта с пространственной запиткои эквидистантных линеек излучателей, расположенных в свободном пространстве.
3.Результаты теоретических исследований нелинейного сканирования и модельных расчетов для варианта с параллельной запиткои и использованием линий задержки эквидистантных линеек излучателей, расположенных в недисперсионных канализирующих системах.
4. Экспериментальные результаты по нелинейному сканированию в приемной антенной решетке с дисперсионной канализирующей системой.
