Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время антенные устройства, способные формировать множество диаграмм направленности, широко используются в системах мобильной коммуникации, радиоастрономии, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, системах космической связи. В качестве таких многолучевых антенн часто используют многолучевые фазированные антенные решетки (ФАР) и многолучевые линзовые антенны. Наряду с электронным сканированием для изменения пространственной ориентации главного лепестка может использоваться устройство, осуществляющее механический поворот антенны с высокой направленностью (например, зеркальной или линзовой антенны) или ее облучателя. Механические способы управления направленностью излучения имеют очевидные недостатки – малая скорость сканирования и низкая надежность.
ФАР обладают высокой скоростью изменения диаграммы направленности, однако их полоса рабочих частот и секторы сканирования ограничены. Существенными недостатками ФАР являются их конструктивная сложность, сложность управления, а также – высокая стоимость.
Классическая сферическая линза Люнеберга также является достаточно сложной и дорогой в производстве антенной (по данным производителя линз Люнеберга компании Matsing (сайт ), стоимость многолучевой антенной решетки (МАР) диапазона от 1 до 10 ГГц с линзой Люнеберга диаметром 600 мм составляет около 60000$).
Поэтому актуальным является разработка и исследование новых конструкций и методов проектирования сверхширокополосных МАР на основе плоских линз Люнеберга с возможностью полноазимутального сканирования как более простых и дешевых, по сравнению с классической линзой сферической формы. Также весьма актуальной задачей является разработка и исследование новых конструкций многолучевых антенных решеток с секторным сканированием на основе апланатической линзы, линзы Ротмана и линзы Люнеберга и создание антенных элементов для этих решеток.
Диссертационная работа выполнена в рамках госбюджетных НИР, проводимых на кафедре радиоэлектронных устройств и систем ФПБОУ ВПО “Воронежский государственный технический университет” в 2010-2013 гг. в рамках одного из основных научных направлений ВГТУ – «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации».
Объектом исследования диссертационной работы являются сверхширокополосные многолучевые линзовые антенные системы.
Предметом исследования являются параметры и конструкции вариантов построения сверхширокополосных многолучевых антенных систем на основе плоской линзы Люнеберга, плоской линзы Ротмана и апланатической линзы.
Целью работы является разработка методики проектирования и исследование сверхширокополосных антенн с полноазимутальным коммутационным сканированием, построенных на основе плоской линзы Люнеберга, а также - сверхширокополосных антенн с широкоугольным коммутационным сканированием, выполненных на основе плоской линзы Люнеберга, линзы Ротмана и апланатической линзы, и антенных элементов для них.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
- анализ современного состояния теории и техники сверхширокополосных многолучевых линзовых антенных систем и антенн с коммутационным сканированием с целью определения существующих проблем и перспективных направлений их решения;
- разработка и апробация методики проектирования сверхширокополосных антенных устройств, построенных на основе планарной линзы Люнеберга; исследование возможности реализации полноазимутального сканирования для созданных антенн с помощью микроэлектромеханических коммутаторов;
- разработка и исследование секторных многолучевых антенных решеток на основе линзы Ротмана, апланатической линзы и плоской линзы Люнеберга;
- разработка и исследование антенных элементов для секторных многолучевых антенных решеток.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы анализа и синтеза антенн, методы математического моделирования, вычислительные методы технической электродинамики.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана и исследована электродинамическая модель замедляющей структуры гребенчатого типа, предназначенная для вычисления коэффициента замедления волны в плоской линзе Люнеберга, построенная на основе использования метода частичных областей Трефтца;
- разработана методика синтеза и анализа плоской линзы Люнеберга на основе импедансных структур с диэлектрическими и металлическими ребрами, характеризующаяся возможностью полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, отличающаяся использованием эволюционного алгоритма на первом этапе параметрической оптимизации антенны;
- разработана методика проектирования сверхширокополосных антенн с коммутационным широкоугольным сканированием, построенных на основе печатной линзы Ротмана, планарной линзы Люнеберга и планарной апланатической линзы, отличающаяся использованием процедуры уточнения профиля синтезируемых линз с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения в длинноволновой области функционирования антенн;
- предложена и исследована конструкция антенны Вивальди с печатной метаматериальной линзой, образованной электрическими рассеивателями малой длины, корректирующей фазовые искажения в Е-плоскости, позволяющая повысить коэффициент усиления антенны вплоть до 2 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3;
- показана возможность реализации полноазимутального коммутационного сканирования в сверхширокой полосе частот для антенн, построенных на основе планарной линзы Люнеберга, управляемых с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS со значениями коэффициента передачи в режиме изоляции -60 -70 дБ, что вплоть до настоящего времени, оставалось нереализуемым при использовании коммутаторов, построенных на основе p-i-n диодов.
Практическая значимость работы заключается в создании методик проектирования сверхширокополосных линзовых антенн полноазимутального и широкоугольного сканирования, а также многолучевых сверхширокополосных антенн, отличающихся высокой технологичностью.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
- установлено, что для оценки величины коэффициента замедления в радиальном металлическом волноводе с импедансными стенками, характеризующимися глубиной пазов существенно менее четверти длины волны, в диапазоне частот с более чем трехкратным перекрытием можно использовать модель аналогичной координатной структуры, построенную на основе метода частичных областей;
- выяснено, что структура в виде двух обращенных друг к другу усеченных конусов, днища которых покрыты системой концентрических металлических колец, образующих плоскую линзу Люнеберга, может являться базовой для построения многолучевой антенны, или антенны с коммутационным сканированием в полноазимутальном пространстве или широкоугольном секторе в полосе частот с трехкратным и более перекрытием;
- установлено, что использование эволюционной процедуры уточнения профиля синтезируемых линз с учетом дифракционных искажений формируемого амплитудно-фазового распределения позволяет создавать сверхширокополосные антенны с коммутационным сканированием в секторе углов ±45, нижняя рабочая частота которых определяется размером апертуры, равным трем длинам волн;
- выяснено, что эффективным способом повышения коэффициента усиления антенны Вивальди, вплоть до 2 3 дБ в полосе частот с коэффициентом перекрытия более 3, является использование метаматериальной печатной линзы, состоящей из малых электрических рассеивателей, размещенных в ее раскрыве;
- предложен подход к реализации полноазимутального сканирования в сверхширокой полосе частот, характеризующейся коэффициентом перекрытия 3, для планарной линзы Люнеберга, управляемой с помощью микроэлектромеханических ключей MEMS, которые в силу высокой изоляции в выключенном режиме слабо шунтируют радиальный волновод и не оказывают существенных искажений на формируемое фазовое и амплитудное распределение поля в раскрыве.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в инновационных проектах (ИННОВАТИКА - 2001)» (Москва, 2011); XVIII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2012, 2013); ежегодных научно-технических конференциях и семинарах профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010 – 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 8 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [1, 4, 6, 7, 9, 10-14] проведение численных расчетов и математическое моделирование; во [2] изготовление макетов антенн, проведение натурных испытаний; в [3, 5, 8] поиск и предварительный анализ публикаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Основная часть работы изложена на 146 страницах, содержит 92 рисунка и 1 таблицу.
