Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Построение многофункционального полотна антенной решетки 21.
1.1. Вводные замечания 21.
1.2. Сферическая антенная решетка 22.
1.3. Пеленгационные характеристики и сектор обзора сферического полотна 28.
1.4. Характеристики антенного полотна, размещенные на других неплоских поверхностях 30.
1.5. Купольные ФАР 37.
1.6. Широкополосность волноводных АР. Критерии оценки 44.
1.7. Диапазонные многочастотные антенные полотна из волноводов сложного сечения 49.
Выводы к главе 1 59.
Глава 2. Формализация задач электродинамики для моделей базовых элементов волноводных АР 62.
2.1. Обобщенная модель 62.
2.2. Матричный подход к анализу излучающей системы АР 7.0.
Содержание. 3.
2.3. Метод решения внешней и внутренней задачи электродинамики волноводных АР 75.
2.4. Электродинамические характеристики волноводных излучателей в АР 92.
Выводы к главе 2 104.
Глава 3. Волноводные элементы АР и их характеристики 106.
3.1. Волноводные излучатели сложной формы 106.
3.2. Широкополосные волноводные излучатели АР с линейной поляризацией 121.
3.3. Широкополосные волноводные излучатели АР с вращающейся поляризацией 134.
3.4. Согласование волноводных излучателей антенных решеток с широкополосным и с широкоугольным сканированием 148.
Выводы к главе 3 165.
Глава 4. Многоэлементные конечные антенные решетки 167.
4.1. Численный метод расчета характеристик волноводных излучателей в конечной антенной решетке 167.
4.2. Результаты тестовых исследований 175.
4.3. Экспериментальные исследования характеристик конечных волноводных АР177.
4.4. Взаимная связь. Потери на отражение в АР. Уровень бокового излучения 182.
4.5. Методика автоматизированного проектирования излучающего полотна волноводной ФАР 185.
Выводы к главе 4 198.
Глава 5. Моноимпульсная ФАР, возбуждаемая радиальным волноводом 200.
5.1. Требования и варианты построения распределительной системы на радиальном волноводе 200.
Содержание. 4.
5.2 Суммарный канал моноимпульсной ФАР. Декомпозиция задачи 204.
5.3. Алгебраизация задачи и предварительный анализ характеристик ФАР с учетом ее геометрии 214.
5.4. Параметрический синтез распределительной системы ФАР на радиальном волноводе 223.
5.5. Разностный канал. Декомпозиция задачи 240.
5.6. Волноводный суммарно-разностный возбудитель распределительной системы ФАР 245.
5.7 Характеристики волноводных излучателей моноимпульсной
ФАР 254.
Выводы к главе 5 262.
Глава 6. Волноводные устройства распределительной системы ФАР и родственные задачи 264.
6.1. Характеристики волноводных устройств СВЧ на волноводах сложного сечения 264.
6.2. Волноводные частотно-селективные радиопрозрачные оболочки 268.
6.3. Многочастотные волноводные антенные структуры 274.
6.4. Диэлектрические материалы и технологические аспекты изготовления волноводов сложного сечения 288.
Выводы к главе 6 298.
Заключение ...300.
Список литературы
- Пеленгационные характеристики и сектор обзора сферического полотна
- Метод решения внешней и внутренней задачи электродинамики волноводных АР
- Широкополосные волноводные излучатели АР с вращающейся поляризацией
- Методика автоматизированного проектирования излучающего полотна волноводной ФАР
Введение к работе
Рассматриваются постановка проблемы и задачи диссертационной работы, актуальность темы, цель, научная новизна, практическая ценность, основные результаты и положения, выносимые на защиту, а также общая методика исследования, достоверность, реализация и внедрение, апробация, структура и объем диссертации.
0.1. Постановка решаемой проблемы и задачи диссертационной работы.
Актуальность темы.
Антенные решетки (активные -АФАР, пассивные -ФАР) в течение ряда лет находят применение в различных радиоэлектронных комплексах (РЭК) бортового и наземного базирования [1-22], дальнейшее развитие которых связано с требованием многофункциональной работы РЭК: совмещением в одном комплексе функций РЛС, радиоразведки (РР), радиоэлектронной борьбы (РЭБ), связи, навигации, опознавания и др., т.е. к разработке интегрированного РЭК, выполненного в виде многорежимного комплекса с быстрым переключением антенных лучей. Кроме того, требование малой заметности, радиоэлектронной защиты от радиопротиводействия и малая вероятность обнаружения сигналов излучения РЭК позволяют сделать качественный скачок в наращивании возможностей радиосистем: картографировании земной поверхности, улучшении идентификации целей, увеличении зоны действия за счет использования боковых АР. Все это накладывает жесткие условия на разработку многофункциональных антенных систем (АС), позволяющих обеспечивать вышеперечисленные функции. Антенная система РЭК должна работать в режиме широкополосного, широкоугольного сканирования с моноимпульсной пеленгацией и на различных поляризациях излучаемого и принимаемого электромагнитного поля, что возможно при использовании ФАР и, что более предпочтительно, - АФАР [1,5].
Одной из актуальнейших проблем антенной техники является изыскание путей практической реализации широкополосных (сверхширокополосных) антенных решеток с электрическим сканированием [1-6]. Решение этой задачи способствует созданию нового поколения радиоэлектронных систем с интегрированием вышеназванных функций [7-19].
Проблема построения широкополосных сканирующих остронаправленных антенных систем (АС) носит достаточно общий характер в различных областях радиоэлектроники, но в зависимости от назначения и функционирования РЭК требования к диапазонности, сектору обзора пространства, виду поляризации поля и т.д. могут быть разными, но для интегрированных систем с вышеперечисленными функциями проблема сводится к построению широкополосной излучающей системы с возбуждающими (распределительными), фазирующими, управляющими и другими устройствами и системами пространственно-временной обработки.
Рассматриваемая проблема наиболее актуальна в частотном диапазоне, охватывающим:
- длинноволновую часть сантиметрового диапазона (так называемый L-диапазон);
- непосредственно сам сантиметровый диапазон (Х-диапазон);
- миллиметровый диапазон (К-диапазон).
Для двух последних совмещаемых частотных диапазонов оптимально подходят волноводные структуры, выбор которых не случаен и продиктован еще и известными преимуществами волноводов: потенциальной широкополосностью, высоким уровнем излучаемой мощности, удобным согласованием (как с электродинамической, так и с конструктивной точек зрения) с хорошо развитой и доступной элементной базой фазовращателей и других волноводных устройств.
Любая задача реализации и практического воплощения результатов исследования сложных антенных систем, какими являются многофункциональные АР (ФАР и АФАР), связана с процессом их проектирования (а на современном языке - автоматизированного проектирования (АП)). Вопросы разработки этапов АП и создание систем автоматизированного проектирования (САПР) выходят на первый план, когда в рыночных условиях необходимо создавать многофункциональные АС в короткие сроки и конкурентоспособные по цене. Именно инструмент в виде АП (САПР) во многих случаях позволяет выигрывать конкурентную борьбу, ибо значительно сокращает сроки и стоимостные затраты на проектирование [5,6]. Поэтому актуальность проблемы построения широкополосных АС для интегрируемых РЭК связана с необходимостью разработки АЛ выбранных вариантов.
Все виды машинного проектирования (автоматизированное, автоматическое) базируются, во-первых, на определенном уровне знания физических процессов, происходящих в антенне и учитываемых в ее физической модели, а также на соответствующем ей математическом описании этих процессов, т.е. математической модели, во-вторых, на основных принципах проектирования с использованием ЭВМ:
принципе декомпозиции; т.е. формальном расчленении сложного устройства СВЧ на более простые базовые элементы (БЭ) (см. гл. 2); принципе многоуровневой модели (физической и математической), позволяющей вести проектирование на разных уровнях (с учетом и без учета «тонких» физических эффектов) (см. гл. 2);
принципе структурного и параметрического синтеза, обеспечивающего оптимальные конструктивные и тактико-технические решения (см. гл. 4,5,6). Поэтому разработка маршрутов и методик АП также актуальны для решения задач построения сложных АС.
Именно этой актуальной теме: разработке широкополосных остронаправленных сканирующих антенных решеток (АР) на основе волноводов сложного (в общем случае - произвольного) поперечного сечения, работающих на линейной (вертикальной или горизонтальной) либо двойной (ортогональной или вращающейся) поляризациях поля в моноимпульсном режиме и посвящена настоящая работа.
При решении поставленной проблемы необходимо решить ряд задач:
• построение широкополосного многочастотного излучающего антенного полотна волноводной АР в режиме широкополосного остронаправленного сканирования в телесном секторе 2СК более полусферы с линейной и двухполяризационной составляющей поля;
• построение широкополосной (недисперсионной) распределительной системы (PC) многоэлементной ФАР (АФАР), обеспечивающей моноимпульсный режим работы, с волноводными излучателями сложной формы;
• разработка универсального математического аппарата, позволяющего исследовать и оптимизировать по выбранным критериям основные электродинамические характеристики (энергетические, частотные, поляризационные) АР и входящих в нее устройств на основе волноводов с произвольным поперечным сечением;
• разработка алгоритмической базы вычислительной электродинамики и программного обеспечения для АР, построенных на основе волноводов со сложной формой сечения;
• разработка методик автоматизированного проектирования (АП) широкополосных сканирующих волноводных АР с линейной и вращающейся поляризацией, обеспечивающие оптимальные режимы проектирования при минимизации его временных и стоимостных затрат.
0.2. Цель, научная новизна и практическая ценность.
Цель диссертационной работы заключается в решении важной научно-технической проблемы - разработке широкополосных волноводных моноимпульсных АР с широкоугольным сканированием на линейной или вращающейся поляризациях для новых радиосистем - интегрированных радиоэлектронных комплексов, а также в теоретическом и экспериментальном обосновании развитых электродинамических подходов для их проектирования (включая и АП).
Полученные в диссертации решения поставленных задач являются новыми.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
1. Проведено обобщение электродинамической теории антенных решеток на широкополосные АР на основе волноводов с произвольной формой поперечного сечения, работающих в режиме широкоугольного сканирования с линейной (вертикальной либо горизонтальной) или двойной (ортогональной либо вращающейся) поляризацией поля.
2. Развиты универсальные электродинамические подходы и математический аппарат прикладной электродинамики и получены новые результаты исследования и оптимизации энергетических, частотных, поляризационных характеристик различных видов многоэлементных волноводных АР, заключающиеся:
• в разработке волновой многомодовой физической и математической модели излучения волновода с произвольной формой сечения в составе многоэлементной АР при наличии диэлектрических покрытий, вставок, волноводных трансформаторов, диафрагм и других согласующих элементов в ее раскрыве;
• в развитии матричной электродинамической теории, строгого математического подхода на основе комбинированного прямого проекционного метода сшивания электромагнитных полей к анализу и оптимизации характеристик АР, устройств СВЧ и канализирующих трактов на основе волноводов сложного профиля.
3. Создана алгоритмическая база вычислительной электродинамики и программное обеспечение для исследования и оптимизации по выбранным критериям электродинамических характеристик широкополосных излучающих и канализирующих элементов АР на основе волноводов с произвольной формой поперечного сечения.
4. Разработана методика автоматизированного проектирования излучающей и распределительной систем широкополосных волноводных АР при обеспечении оптимальных параметров ТЗ с минимальными временными и стоимостными затратами.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в том, что на их основе:
• проведено обобщение электродинамической теории и разработаны новые подходы к построению и анализу широкополосных антенных решеток на основе волноводов с произвольной формой поперечного сечения, позволившие получить новые знания о характеристиках волноводных моноимпульсных АР, обладающих по сравнению с традиционными решетками из прямоугольных и круглых волноводов большей рабочей полосой частот AF 25% в широком секторе однолепесткового сканирования ск 120° на линейной и вращающейся поляризациях;
• предложен универсальный математический аппарат и создан прикладной комплекс алгоритмов и программ по исследованию и оптимизации излучающей и распределительной систем (ИС и PC) АР, устройств СВЧ и канализирующих трактов на основе волноводов с произвольным поперечным сечением, позволяющие создавать автоматизированные информационные системы с динамической базой данных для проектирования различных АС АР;
• разработана методика автоматизированного проектирования многоэлементного антенного полотна АР на основе широкополосных (многочастотных совмещенных) волноводных излучателей с оптимизированными по выбранным критериям характеристиками, позволяющая значительно сократить временные и стоимостные затраты на этапах их разработки;
• создан комплекс экспериментальных лабораторных макетов образцов АР и устройств СВЧ на основе волноводов со сложной формой поперечного сечения.
0.3. Основные положения и научные результаты, выносимые на защиту.
І. Электродинамическая теория широкополосных остронаправленных АР из волноводов с произвольной формой поперечного сечения, устройств СВЧ и распределительных систем на их основе, позволяющая исследовать и оптимизировать параметры конструкций моноимпульсных АР в режиме широкополосного широкоугольного сканирования.
2. Универсальный математический аппарат, алгоритмическая и программная база прикладной электродинамики для анализа электродинамических характеристик излучающих и распределительных систем АР и устройств СВЧ на волноводах со сложной формой сечения, позволяющие создавать автоматизированные информационные системы с динамической базой данных для их проектирования.
3. Результаты оптимизации характеристик по заданным критериям и методики автоматизированного проектирования составных систем АР на волноводных структурах.
0.4. Общая методика исследований, достоверность, реализация и внедрение, апробация результатов, структура и объем.
Общая методика и выбор метода исследования относится к области высокочастотной теоретико-прикладной электродинамики, теории и техники антенн, антенных решеток и технике СВЧ. Метод определяется такими особенностями исследования сложных антенных систем, как необходимость системного анализа на основе универсального матричного подхода к анализу электродинамических процессов с учетом многомодового их характера и экспериментального подтверждения его теоретических результатов на натурных макетах.
Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих электродинамических подходах и математических моделях исследуемых волноводных АР, канализирующих трактов и устройств СВЧ на их основе, подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями как проведенными автором, так и полученными при разработках промышленных образцов.
Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы получены в рамках 4 хоздоговорных НИР (1979-1990гг.), проводимых на кафедре 406 в Проблемной лаборатории СВЧ МАИ по постановлению Правительства, в двух инициативных НИР (1982-1983гг., 1989г.) с ОАО Радиофизика (НИИРФ) и 16 ЦНИРШ МО РФ, внедрены в разработки предприятия ОАО «Фазотрон», ОАО Радиофизика и 16 ЦНИИ МО РФ.
Апробация результатов. Результаты работы в области исследования и оптимизации характеристик и применения широкополосных волноводных ФАР для интегрированных РЭК опубликованы более, чем в 50 печатных работах, среди которых:
1)21 научная статья;
2) в монографии по АФАР (Радиотехника, 2004);
3) два патента РФ;
4) 3 учебных пособия с грифом Министерства (1988,1994,2003 годов издания) по проектированию ФАР в издательствах «Радио и связь», «Радиотехника»;
5) более 16 тезисов докладов на отечественных и международных конференциях;
6) более 7 публикаций в трудах МАИ (включая отчеты и учебные пособия).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Объем диссертации вместе с рисунками и таблицами составляет машинописных страниц, а также список литературы, содержащий наименований.
Пеленгационные характеристики и сектор обзора сферического полотна
При обеспечении работы РЭК в моноимпульсном режиме важной является пеленгационная характеристика и ее линейность, которая в конечном счете определяет точностные параметры комплекса.
В секторе углов сканирования 20СК 9О пеленгационные характеристики плоских АР изменяются незначительно [2,3], а при углах 20СК 9О уже заметно уменьшается КНД АР, расширяется луч, что в конечном итоге изменяет пеленгационную характеристику. Поэтому интерес представляет ее зависимости от углов сканирования в и угла раскрыва /? р (см. рис. 1.1) сектора излучающей поверхности. Рассмотрим эти зависимости.
Для формирования необходимых параметров суммарной ДН Fz(u) используем амплитудное распределение поля в раскрыве вида [2,3]: Е,(г, р) = Е0(\-г2У, (1.6) при котором ДН круглого раскрыва радиуса R запишется Fz(u)=An+1(u)/n + l, (1.7) где Лй+\{и) - лямбда-функция (л+1)-го порядка, u=kRs m0. Для формирования разностной ДН FA(u) в плоскости р=0 (см. рис. 1.1) обычно полагают Е,(х У)= EQ sin or (l - Р V2 )m , (1.8) где х\ у - координаты текущей точки в раскрыве, а,0,т - коэффициенты, характеризующие Es(xу), тогда
Из рисунков видно, что крутизна ц пеленгационной характеристики получается максимальной при /? р=900 и падает с уменьшением сектора облучения выпуклой поверхности.
Немаловажной задачей при построении антенн с широкоугольным сканированием является обеспечение обзора заданной части пространства. Как отмечалось выше, для интегрированных РЭК, особенно бортовых (самолетных), возникает потребность в просмотре пространства не только в полусфере перед комплексом, но и за ее пределами (0Ск 9О).
Представим сектор обзора в декартовой системе координат (рис. 1.11). Пунктирной линией отметим желаемую часть осматриваемого пространства, сплошной — часть пространства, осматриваемую плоской АР (с максимальным отклонением луча ±60 и с максимумом излучения #=900 ) и штриховой — часть пространства, осматриваемую выпуклой АР.
Видно, что потенциальный сектор обзора сферической ФАР перекрывает требуемый, чего явно не хватает у плоской решетки.
В качестве альтернативных вариантов сферической ФАР могут быть предложены цилиндрические или конические в комбинации с плоскими антенные полотна, также соответствующие блочной концепции построения многофункциональной АС. При этом блок плоской АР является составной частью общего антенного полотна, дополненного цилиндрической или конической ФАР. Такая конструкция позволяет хорошо вписаться в отведенный для АС объем РЭК и формировать два и более независимых лучей для одновременного выполнения разных задач. При построении таких АС, помимо конструктивного исполнения, имеются еще отличия и в секторе сканирования. Так нарис. 1.12 и 1.13 представлены сектор обзора АР, образо -ванной комбинацией плоскоцилиндрических и плоскоконических поверхностей соответственно.
Рассматриваемые схемы построения позволяют формировать несколько независимых лучей без потери усиления по каждому в отличии от обычной плоской АР, в которой при работе с двумя лучами с одного раскрыва КУ луча падает как минимум на 3 дБ. Цилиндрическая и коническая решетки при их совместной работе с плоской позволяют в целом перекрыть большую часть требуемого сектора обзора пространства, а в некоторой части пространства обеспечить сканирование двумя и более лучами.
Еще одним из вариантов построения многофункционального антенного полотна может быть АР, состоящая из комбинации трех плоских решеток, построенных в виде пирамиды (рис. 1.14). Представляет интерес построение пирамидальных ФАР с заменой плоских решеток кольцевыми концентрическими антенными решетками (ККАР). При построении ККАР шаг между излучателями выбирается исходя из условия однолучевого режима Рис. 1.14 Пирамидальная АР работы в секторе сканирования (см. 1.15), при этом возможно уменьшить колебания КУ ККАР в полусфере меньше, чем у существующих пирамидальных ФАР [3,4].
Рассмотрим ФАР, состоящую из нескольких ККАР, размещаемых на гранях правильной пирамиды с числом граней Л=3...6. Возможны два режима фазирования подрешеток (ККАР): совместное и независимое. В первом режиме несколько подрешеток работают как единая система, во втором режиме каждая подрешетка сканирует независимо от других в определенном пространственном секторе углов. При независимом фазировании методика расчета конструктивных и радиотехнических параметров подрешеток не отличается от методики расчета плоских ФАР.
Оптимальный угол наклона грани пирамиды аопт может быть определен, исходя из одного из следующих требований: - максимального КУ в определенном направлении Втсау в этом случае Яопт- "max» - наименьших колебаний КУ в полусфере, в этом случае [2,3]: Хопт = WCtg COS 7Z \ : , при М=Ъ аот=6Ъ,5. (1-11) Минимальный КУ получается при максимальном отклонении луча от нормали к подрешетке: 9 = arccos sin(ar)cos — , при М=3 аопт=63,5 . (Ы2)
Для обзора полупространства требуется обеспечить телесный угол сканирования 2ж стерадиан. Для больших секторов обзора нетрудно определить телесный угол обзора пространства по формуле: 0. = 2л 1-COS L], (1.13) где ftp - угол при вершине конуса рис. 1.1. Телесный угол обзора одной грани АР при отклонении луча на угол 0СК: Q = 2TT(1-COSO.
Так, при секторе сканирования 20СК=±6О телесный угол обзора составляет ж стерадиан и для обзора полупространства достаточно трех плоских решеток в виде трехгранной пирамиды, сектор обзора которой показан на рис. 1.5.
Экспериментальные исследования характеристик конечных волноводных АР
В настоящем разделе получим выражения для коэффициентов матрицы рассеяния S„ (см. 2.6) излучающего раскрыва волноводной ячейки (внешняя задача) и стыка волноводов произвольного поперечного сечения (внутренняя задача) с учетом согласующих элементов (диэлектрических вставок, покрытий,
Формализация задач электродинамики для моделей базовых элементов волноводных АР 76. диафрагм, волноводных трансформаторов) на границах раздела сред (рис. 2.5, 2.6.).
При решении внешней задачи рассмотрим два варианта размещения излучателей в составе двумерной периодической структуры с одно-диапазонными волноводами (с кусочно-постоянным диэлектрическим (єо, Єї, ез) заполнением) в ячейке Флоке (рис. 2.5) и совмещенной (много « частотной) волноводной ячейке Флоке (рис. 2.6) из бесконечных регулярных волноводов q=l,2..Q различных диапазонов.
Полагаем, что структура покрыта слоем диэлектрика толщиной d2 и величиной относительной диэлектрической проницаемости е2 (О г)) хотя в общем случае покрытие может быть многослойным1. Волноводы могут быть расположены в узлах прямоугольной или треугольной сетки, характеризуемой углом а (рис. 2.5,2.6).
В качестве модели для дальнейшего рассмотрения примем модель бесконечной АР с условием возбуждения Флоке (временная зависимость e(wW)) A„ = A,S r " ", (2.14) где W х = kD xsm 0cos p, y = kD sin 0cos p - фиксированные сдвиги фаз по осям X,Y соответственно (случай, когда сетка а ж/2 рассмотрен ниже), Ай — амплитуда падающей волны.
Однодиапазонная ячейка Флоке. Рассмотрим случай расположения в периодической ячейке одно-частотного волноводного излучателя (рис. 2.5).
Пусть излучатель представляет комбинированный волновод, состоящий из двух состыкованных волноводов, каждый из которых имеет произвольную форму попе Рис. 2.6 Фрагмент периодической ячейки речного сечения и размеры. волноводной совмещенной АР с неперекрываю Волноводы возбуждаются в илпиоидол D ovj/iYMo.x iwi о щИМИСя апертурами излучателей. общем случае системой волн, падающих с направления z = — оо. Обозначим число падающих волн (многомодовое возбуждение) Ni. Для согласования излучающей системы АР с полупространством используют диэлектрические заполнения волноводов, вставки и покрытия, параметры которых (є0, єз» з ь du Ъ, d2) необходимо подбирать при проектировании. Роль согласующего устройства может играть и переход от одного волновода к другому, называемый волноводным трансформатором.
Исходя из выбранной модели АР, выделим периодическую ячейку, состоящую из комбинированного волновода — область I и волноводный трансформатор, и пространственной ячейки Флоке - область II (рис. 2.5). Волны, падающие из области I частично отражаются в сечении Si, а частично проходят в область волноводного трансформатора, где вновь отражаются от сечения и также проходят в область II. Таким образом в области I формируется электромагнитное поле как интерференция падающих и отраженных волн, в области волноводного трансформатора существует поле, образованное . Область II Э ь-2 волнами, прошедшими сечение S\ и отраженные от S3. Излученное поле в области II получается как результат прохождения волн через сечение S3 (взаимовлияние излучателей для выбранной модели АР учитывается р автоматически). Рис. 2.7 Стык волновода и ячейки Флоке Основная цель при исследовании волноводного излучателя в АР — определение комплексных амплитуд отраженных волн в регулярные волноводы (область I) и комплексных амплитуд волн, прошедших в полупространство (область II). Значение этих амплитуд позволяет определить основные характеристики АР (см. п. 2.4), оптимизация которых по выбранным критериям в данном секторе углов сканирования QCK и рабочей полосе частот AF является одной из основных задач проектирования.
Для упрощения математических соотношений будем полагать вначале, что волноводный трансформатор отсутствует (рис. 2.7). В этом случае нахождение комплексных амплитуд волн сводится к решению задачи дифракции падающих волн на стык волновод — ячейка Флоке. Решение такой задачи проведем проекционным методом [39,50,51].
Широкополосные волноводные излучатели АР с вращающейся поляризацией
Через AI00 и A200 обозначены соответственно амплитуды нулевых гармоник Флоке магнитного и электрического типа, распространяющихся в направлении 0о, ро (см. (2.58)). Выражение (2.77) удобно представить в следующем виде G(q)= KHn(4)cos(9, К (2.78) где КИП(Ч) - коэффициент использования поверхности G«o = Микити cos0, КИП «о = 1А.о1 Р." +1А2оо1 Рг" (2.79) N4 ИМ Pi /-і p-i При необходимости определения парциального КУ ячейки по 0-ой или р-ой координатной составляющей в числителе (2.77) необходимо учитывать только второе или только первое слагаемое. КИП ячейки по КУ КИП(Ч) связан с КИП ячейки по КНД КНД(Ч) следующим соотношением KHn(q)=KHfl(q)(l-R(q)2). (2.80) Если размеры многочастотной периодической ячейки Флоке превышают размер квадрата со стороной XJ2, то при сканировании в q-ом диапазоне могут появиться дополнительные боковые лепестки, уровень которых (Д( )2 по мощности определяется в соответствии с [38] следующим образом где через А„ и А,2 обозначены амплитуды гармоник Флоке магнитного и электрического типа, распространяющихся в направлении в,,?,. С учетом введенных обозначений (2.71), (2.74) и (2.79) соотношение (2.76) для баланса мощности можно представить в следующем виде КИП » =l-A(zq)f -R(?4)2 R(rq)\ (2.82) где \А?\2 =ЬАП\2№/±%\4К (2.83) - относительная доля мощности ячейки, излучаемая во все боковые лепестки, R I) _ интегральный коэффициент отражения в активно возбуждаемых в q-ом диапазоне волноводных излучателях ячейки, JR.H - интегральный коэффициент прохождения в пассивные для q-ro диапазона волноводные излучатели ячейки (в соответствии в (2.71) R q) + R 4) =R(4) ) Уравнение баланса (2.82) с ч учетом (2.79), (2.81), (2.82) можно преобразовать к следующему виду КИП =(1-Kq)2-(R qf)/(l + cos0 - -), (2.83) в который входят антенные характеристики ячейки. Целесообразность представления (2.82), (2.83) определяется тем, что эти выражения более наглядно показывают источники основных потерь в коэффициенте усиления ячейки совмещенной ФАР в q-ом диапазоне.
На основе разработанного алгоритма нахождения рассматриваемых характеристик разработан комплекс программ для проектирования рассматриваемых волноводных структур, позволяющий, помимо нахождения элементов матриц рассеяния, найти внешние (рассмотренные выше) и внутренние характеристики (см п.3.1) волноводов произвольного сечения как направляющих трактов (структура полей, критические длины волн, затухание и т.д.), так и как отдельных одиночных излучателей (ДН, коэффициент кроссполяризации, КУ), часто используемых в виде облучателей гибридных антенн [66-69].
1. Развита теория расчета характеристик излучающих периодических антенных решеток с диэлектрическими элементами в раскрыве и устройств СВЧ на основе волноводов с произвольной формой поперечного сечения.
2. Проведено решение внешней и внутренней задачи электродинамики в строгой постановке для АР из волноводов с произвольной формой поперечного сечения и устройств СВЧ, построенных на их основе, заключающееся: в формализации и численной алгоритмизации уравнений Максвелла для нахождения обобщенной многомодовой матрицы рассеяния на основе сшивания матриц составных систем АР: излучающей, согласующей, фазирующей и распределительной; в получении выражений для нахождения энергетических и поляризационных характеристик АР и СВЧ устройств.
3. Развит на основе метода декомпозиции строгий электродинамический подход к анализу широкополосных волноводных АР и волноводных СВЧ устройств, основанный на решении задачи электродинамики для торцевых соединений волноводов произвольного поперечного сечения при наличии в них диэлектрических согласующих покрытий, вставок, ступенчатых трансформаторов, диафрагм.
4. Проведено обобщение прямого проекционного метода сшивания полей для нахождения полной матрицы рассеяния АР из волноводов с произвольной формой сечения, позволившее разработать численный алгоритм и комплекс вычислительных программ для определения элементов этой матрицы в зависимости от углов сканирования, частоты и геометрических размеров
Методика автоматизированного проектирования излучающего полотна волноводной ФАР
Поэтому свойства волны и, в частности, критическая длина волны определяется в основной структурой поля в зазоре между гребнями. Пока отношение ширины W к ширине волновода не превышает 0.2 - - 0.3 энергия электрического и магнитного полей вблизи боковых стенок волновода относительно мала — невелика и амплитуда парциальных волн, отражающихся в соответствии с концепцией парциальных волн от боковых стенок волновода [52,60], а следовательно, мала и продольная составляющая магнитного поля. В силу этого распространяющаяся в Н-образном волноводе волна близка по структуре к волне типа Т, у которой Хщ, равна бесконечности. Поэтому введение гребня приближает структуру волны Ню к структуре волны типа Т и приводит к повышению критической длины волны Аню. В тоже время увеличение высоты гребня при относительно узком гребне (W / ау = 0.12- -0.24) незначительно сказывается на критическую длину волны Ян2о, так как гребень вводится в сечение, где напряженность электрического поля волны Нго мала. Однако, с увеличением высоты гребня возрастает уровень потерь и понижается электрическая прочность по сравнению с прямоугольным волноводом. Поэтому обычно применяют Н образные волноводы при 2h I ау 0.7 [65]. Полоса пропускания, как видно из рис. 3.20 может доходить до 100 % при отношении габаритных размеров волновода ах/ау = 2. Увеличение ширины волновода (размер ау) приводит к сужению рабочей полосы AF (до 80 %) за счет увеличения критической длины волны Яиц рис. 3.19,3.20.
Использование Н-образных волноводов как излучателей также представляется перспективным, так как позволяет им работать в более широкой полосе частот одного диапазона и даже в диапазонах, разнесенных на несколько октав. Вопросы построения таких многочастотных излучателей и апертур АР рассмотрены в гл.6. В качестве альтернативных конструкций волноводов как гибких канализирующих трактов с малыми потерями в КВЧ-диапазоне, не рас-смотриваемых в рамках данной работы могут быть предложены гибкие гофрированные металлические и диэлектрические структуры [67,76-97].
Существующие РЛС с АР работают в режиме широкополосного сканирования как с вращающейся, так и с линейной поляризацией (вертикальной или горизонтальной) поля. Заметим, что АР из волноводов прямоугольного сечения рассмотрены в литературе достаточно широко [2,6,43]. Однако использование волноводов с более сложной формой поперечного сечения, например Н-образных, сулит дополнительные преимущества и представляет для разработчиков определенный интерес [65].
Это, прежде всего, связанно с известными преимуществами Н-образных волноводов: потенциальной широкополосностью для одномодового режима, меньшими габаритами в сравнении с широко используемым в АР прямоугольным волноводом при равных рабочих полосах частот в одномодовом режиме. Эти два обстоятельства позволяют, во-первых, расширить рабочую полосу частот излучающего раскрыва АР и дает возможность работы АР на нескольких рабочих частотах, во-вторых, увеличить сектор обзора пространства решетки за счет уменьшения расстояния между излучателями, в третьих, использовать параметры Н-образного волновода не только для получения требуемой полосы, но и для согласования излучателя в антенной решетки. При этом в качестве элементов согласования используются диэлектрические вставки и покрытия (рис.2.5). Однако использование диэлектриков не всегда полностью решает задачу согласования, а в некоторых случаях их использование невозможно, например, при больших передаваемых мощностях. Для решения этой проблемы в таких случаях используют многомодовые волноводы в качестве согласующих трансформаторов между открытыми концами волноводов (в общем случае произвольного поперечного сечения) и пространством излучения (рис.3.21). Кроме того, использование таких ступенчатых волноводов в совокупности с диэлектрическими вставками и покрытиями позволяет наиболее полно решить проблему согласования как с внешней стороны (со стороны излучающего раскры-ва), так и с внутренней стороны (со стороны фидерной системы).
