Введение к работе
I. Актуальность темы. Среди огромного разнообразия антенн и антенных решеток (АР) можно выделить поперечно излучающие антенны, формирующие максимум диаграммы направленности (ДН) близко к нормали апертуры, и продольно излучающие антенны с максимумом ДН вдоль раскрыва. Благодаря обостренной угловой чувствительности, наибольшее распространение получили поперечно излучающие структуры. Однако в случаях, когда антенны должны излучать в направлениях вдоль корпуса объекта, на котором они расположены, и при этом не выступать за его поверхность (так называемые конформные антенны), необходимо использовать продольно излучающие структуры. Конформные конструкции востребованы в авиации, особенно для малых летательных аппаратов, где требования к аэродинамике объекта наиболее жесткие, а также в случаях, когда необходимо обеспечить скрытую установку антенны. Основным недостатком продольно излучающих антенн являются большие габаритные размеры по сравнению с антеннами поперечного излучения, при условии реализации схожих ДН. Поэтому для антенн продольного излучения проблема улучшения точности воспроизведения заданной ДН встает с особой остротой.
Задача нахождения требуемого АФР по известной ДН относится к теории синтеза антенн. Для совершенствования антенных систем требуется применение методов синтеза, позволяющих оптимизировать многие параметры, такие как реактивность, устойчивость полученных решений, требования к электромагнитной совместимости и т.д. Существует несколько основных методов, используемых при решении задач синтеза: Галеркина-Ритца, интегральных уравнений, самосопряженных операторов, линейного и нелинейного программирования. Подавляющее большинство работ посвящено построению антенн по комплекснозначной ДН. Существенно меньше работ, касающихся проблемы синтеза антенн по амплитудной ДН. Кроме того, необходимость ограничить электромагнитное взаимодействие с некоторым объектом, расположенным вблизи синтезируемой антенны, или обеспечить сохранение ДН в присутствии или отсутствии близкорасположенного тела требуют решения задач синтеза в специфической формулировке, которая, судя по литературе, не рассматривалась.
Таким образом, круг вопросов, связанных с построением продольно излучающих антенн по заданной амплитудной ДН с учетом специфических требований к структуре поля вблизи раскрыва, мало изучен, и решения в этом направлении представляют интерес при разработке антенн, размещаемых на различных объектах. По этим причинам тема работы актуальна.
Цель работы: повышение точности воспроизведения требуемой амплитудной ДН, в том числе, при условии снижения интенсивности ПОЛЯ в заданной области вблизи антенны.
Задача исследования. Разработка способов синтеза антенн, отличающихся повышенной точностью воспроизведения заданной амплитудной
ДН и возможностью формирования ближнего поля желаемой структуры. Для достижения поставленной цели необходимо:
- сформулировать критерии оптимизации АФР с учетом дополнительных
требований к структуре ближнего поля;
- разработать методы синтеза антенн по заданной амплитудной ДН,
пригодные для решения рассматриваемого круга задач;
- исследовать эффективность разработанных алгоритмов расчета и оценить
потенциальные характеристики антенн, в частности, обладающих постоянной
ДН в присутствии или отсутствии близко расположенного тела.
Методы исследования. В работе использованы математические методы прикладной электродинамики, методы синтеза антенн по заданной амплитудной ДН, теория самосопряженных операторов. Компьютерное моделирование осуществлялось с применением пакетов прикладных программ Mathcad и (iWaveWizard. При разработке программ учебно-методического назначения использовался объектно-ориентированный язык программирования Delphi 7.0.
Достоверность и обоснованность результатов определяются корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам; соответствием данных экспериментов с теоретическими результатами.
Научная новизна полученных результатов:
Разработан модифицированный метод парциальных диаграмм, который отличается повышенной точностью воспроизведения требуемых амплитудных ДН линейных излучателей и антенных решеток.
Метод самосопряженного оператора обобщен применительно к синтезу антенных решеток с учетом требований к структуре ближнего поля.
Установлено, что оптимизация фазовой структуры поля излучения служит эффективным средством улучшения приближения к заданной АДН и снижения интенсивности поля в заданной области вблизи раскрыва.
Предложен вариант низкопрофильной волноводно-щелевой решетки с косекансной ДН.
Практическая ценность результатов работы:
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что разработанные
алгоритмы расчета антенн позволяют повысить точность воспроизведения
заданной АДН, а также способствовать обеспечению ЭМС или стабилизировать
ДН в присутствии или отсутствии близко расположенного тела.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на конференции Туполевские чтения
(Казань, 2005), V Международной научно-технической конференции «Физика и
технические приложения волновых процессов» (Самара, 2006),
5-ой международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006), VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007), Юбилейной Республиканской научн.-техн. конференции "Нигматуллинские чтения" (Казань, 2008), IX МНТК "Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2008" (Казань, 2008), Международной научной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 2009),
ХІ-ой Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2009), 8-ой Международной Конференции «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва, 2009), XVI Международной научно-технической конференции «Радиолокация навигация связь» (Воронеж, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 7 тезисов докладов в материалах конференций, 1 публикация в сборнике научных трудов, 3 статьи в журналах, в том числе 2 из них в журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК. Использование результатов диссертации.
Разработанные программы применялись в ОАО «Радиоприбор» (г. Казань). Результаты работы использовались в учебном процессе в КГТУ им. Туполева и при выполнении дипломных проектов по направлению 210400 "Телекоммуникации" студентами специальностей 210404 "Многоканальные телекоммуникационные системы" и 210402 "Средства связи с подвижными объектами". В частности на сервере кафедры РТС в каталоге Z:\Docs\AHTeHHbi&yCB4\ размещены программы расчета АР по заданной АДН. Основные положения, выносимые на защиту:
Критерии оптимизации АФР при синтезе антенн с учетом дополнительных требований к структуре ближнего поля;
Модифицированный метод парциальных диаграмм;
Способ синтеза антенной решетки с учетом требований к структуре ближнего поля;
Алгоритм оптимизации фазовой диаграммы антенной решетки в интересах ЭМС;
Оценка эффективности предложенных методов и алгоритмов расчета антенной решетки;
Результаты экспериментального макетирования рассчитанной антенной решетки X диапазона.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 113 наименований, и приложений. Работа без приложений изложена на 141 странице машинописного текста, включая 63 рисунка и 4 таблицы.
