Введение к работе
Актуальность темы. Общая тенденция в радиотехнике к расширению используемой полосы частот привела к развитию техники сверхширокополосных антенн. К классу сверхширокополосных принято о і ноешь антенны, у которых рабочая полоса частот нревышаег одну октаву. Наиболее широкое распространение сверхширокополосные антенны получили в системах декаметрового диапазона волн: в станциях дальней связи, исследовательских станциях зондирования ионосферы, загоризонтных радиолокаторах, то есть там, где используется ионосферный канал распространения радиоволн. Помимо указанного традиционного применения сверхширокополосных антенн, они все тире используются и на более коротких волнах (вплоть до миллиметровых) в тех радиосистемах, где вследствие изменяющейся номеховой обстановки или других факторов приходится оперативно изменять рабочую полосу в широких пределах. Примером могут служить системы радиоэлектронного подавления и обнаружения, для которых требуются антенны с многооктавной полосой частот. Необходимость в сверхширокополосных антеннах возникает также и в системах со сверхширокополосным сигналом, используемым в последнее время в радиолокации и радиосвязи.
Во всех указанных случаях требуются антенны с высокой направленностью, высоким уровнем согласования и стабильностью характеристик в широкой полосе частот. Ясно, что наиболее перспективные технические решения, удовлетворяющие указанным требованиям, связаны с применением частотно-независимых антенн, у которых рабочая полоса частот принципиально не ограничена. По этой причине в данной диссертации мы ограничились, в основном, классом частотно-независимых антенн, причем, учитывая, что частотно-независимые спиральные антенны не претерпели существенных изменений с момента их изобретения и достаточно хорошо изучены, наибольшее внимание в диссертации уделено логопериодическим и близким к ним по конструкции антеннам.
В отличие от таких распространенных антенн, как диапазонные вибраторы или антенны бегущей волны, логопериодические антенны (ЛПА) позволяют во всем декаметровом диапазоне волн сохранить постоянный сектор обслуживаемых углов, коэффициент усиления, помехозащищенность, высокий уровень согласования. Широко
применяются ЛПА и на более высоких частотах, например в дециметровом диапазоне волн в качестве облучателя зеркальных антенн, а с переходом телевизионного вещания в дециметровый диапазон - как высококачественные телевизионные антенны. В последние годы появились микрополосковые и щелевые ЛПА сантиметрового диапазона, удобные для использования в бортовых радиосистемах.
Первоначально проектирование ЛПА осуществлялось на основе накопленного экспериментального материала, затем, с появлением численных методов - на основе полученных расчешым путем графиков и номограмм. Однако, полученные расчетные данные были неточными, а порой и ошибочными. Развитие прикладной электродинамики и, в частности, метода интегральных уравнений вызвало появление работ, служащих основой для более точного проектирования ЛПА. Численные методы анализа антенн с использованием аппарата ишегральных уравнений давно и с успехом применяюіся блаюдаря работам Е.Н. Васильева, А.С. Ильинского, В.И. Дмигриева, В.В. Бодрова, А.В. Рунова, В.В. Овсянникова и других ученых в нашей стране, а также Кинга, Харрингтона, Ричмонда, Мэя за рубежом. Однако, непосредственное применение этих методов к антеннам такой сложной конструкции, какой обладает ЛПА, представляется трудным даже для современных ЭВМ. Действительно, несмотря на кажущуюся простоту алгоритмизации метода интегральных уравнений, его применение к сложной системе проводников требует определенной культуры вычислений, в противном случае полученное численное решение может оказаться далеким от точного. Определенные трудности вызывает также наличие в антенне распределительного многополюсника и необходимость проведения расчетов в широкой полосе частот. По указанным причинам почти во всех известных работах метод интегральных уравнений применялся лишь к одному типу логопериодической антенны, образованной из параллельных вибраторов, подключенных к двухпроводной линии передачи.
Однако существующие конструкции ЛПА чрезвычайно многообразны и выходят далеко за рамки указанного типа. Многообразие различных вариантов логопериодических антенн объясняется заложенными в них широкими возможностями для модификации с целью удовлетворения заданным требованиям: например, можно изменить форму вибраторов или тип распределительного многополюсника. В настоящее время интенсивно продолжается разработка новых типов
ЛПА. Ясно, что поиск оптимального варианта антенны для той или иной задачи путем изготовления различных образцов и их последующей экспериментальной отработки неэффективен, а порой и невозможен. Очевидно, что для проектирования ЛПА необходимы численные методы решения электродинамической задачи, в то же время развитие указанных методов явно отстает от потребностей современной техники логопериодических антенн. Особую актуальность этот вопрос приобрел в связи с использованием ЛПА в качестве элемента фазированной решетки. Это вызвало необходимость разработки надежных и эффективных численных мегодов. позволяющих анализировать излучатели со сложной многовибраторной структурой, какими являются ЛПА, в широкой полосе частот и производить оптимизацию параметров излучателей в решетке с учетом их взаимодействия.
Диссертация ограничена вопросами расчетно-теоретического этапа проектирования, который заключается в определении геометрических параметров устройства, при которых достигаются требуемые радиотехнические характеристики. Вопросы конструктивного выполнения и экспериментальной отработки устройств в работе не рассматриваются. Проектирование базируется на численных методах решения интегральных уравнений, изложенных в главах 1 и 2, а также на модели периодической структуры - единственном аналитическом методе, который дает ясное физическое понимание работы логоиериодической антенны.
Цель днссертацнн - разработать точные и эффективные методы электродинамического анализа и синтеза логопериодических антенн различных типов и различных диапазонов волн, а также антенн и устройств СВЧ, близких по структуре к логопериодическим антеннам, и с помощью разработанных методов предложить новые технические решения следующих задач.
1. Создание ЛПА из несимметричных вибраторов над
металлическим экраном.
-
Уменьшение размеров ЛПА.
-
Создание фазированных решеток из ЛПА.
4. Создание антенн для излучения и приема нестационарных
сигналов с широким спектром частот.
5. Создание приемных ЛПА из активных элементов.
6. Создание широкополосных СВЧ-устройств логопериодической структуры.
Научная новизна работы. Новые результаты изложены в выводах к каждой главе диссертации. Из наиболее важных результаюв проведенных исследований отметим следующие.
-
Разработаны методы электродинамического анализа, которые отличаются ог известных тем, что применимы к более широкому классу логопериодических антенн.
-
Впервые поставлена и решена задача синтеза логопериодических антенн.
-
Для ЛПА наиболее распространенного типа разработана методика инженерного проектирования, которая отличается от используемой до сих пор большей точностью и простотой.
-
Исследованы возможности уменьшения размеров ЛПА.
-
Предложены и исследованы новые варианты ЛПА из несимметричных вибраторов над металлическим экраном.
-
Проведено численное исследование ЛПА в составе линейной и плоской периодических фазированных решеток, обнаружен эффект устойчивости характеристик ЛПА в решетке и показана возможность создания ФАР, совмещающих свойства сверхширокополосности и широкоугольного сканирования.
7. Установлена причина сильных искажений нестационарных
сигналов с широким спектром частот, излучаемых логопериоди-
ческими антеннами. Предложен новый класс антенн для излучения и
приема сверхширокополосных сигналов без искажений.
8. Предложен новый класс логопериодических антенн,
содержащих активные элементы (усилители) и обладающих
существенно улучшенными направленными свойствами по сравнению с
обычными ЛПА.
9. Предложен новый класс СВЧ-устройств, основанных на тех же
принципах, что и логопериодические антенны, что обеспечивает их
широкополосность.
Новизна предложенных технических решений подтверждается семью авторскими свидетельствами на изобретение.
Достоверность выводов. Теоретические результаты, полученные по оригинальной методике, проверялись путем сравнения с известными в литературе расчетными и экспериментальными данными. Кроме того, достоверность разработанных методов проектирования
подтверждена измерением характеристик созданных макетов антенн, что демонстрируется на соответствующих графиках.
Практическая значимость работы. Разработанные методы проектирования позволяют создать сверхширокополосные антенны различных диапазонов волн, от декаметрового до сантиметрового, для применения в системах связи, телевидения, радиолокации, радиоастрономии и других радиосистемах, где используется перестройка частоты в широких пределах или работа со сверхширокополосным сигналом. Результаты практического внедрения диссертационной работы в виде математических алгоритмов, эскизов антенно-фидерных устройств и их расчетных характеристик отражены в 18 научно-технических отчетах Гомельского конструкторского бюро "Луч" (1976-І980і г.) и Гомельского государственного университета (кафедра радиофизики, отраслевая лаборатория МРП, 1981-90гг.). Примерами внедренных разработок являются антенна для вертикального зондирования ионосферы диапазона 0,7-20 Мгц, излучатель для фазированной решетки с полосой частот 6:1 и сектором сканирования ±60 и другие антенно-фидерные устройства.
По материалам диссертации издана монография [1], в которой описаны различные типы логопериодических антенн и методы их проектирования. Это будет способствовать более широкому применению антенн данного класса в инженерной и радиолюбительской практике. Развитые методы электродинамического анализа тонких проводников используются в учебном процессе при чтении лекционных курсов, дипломном и курсовом проектировании [2].
Положения, выносимые на защиту.
1. Методы электродинамического анализа логопериодических
антенн, образованных из тонких проводников.
-
Метод синтеза логопериодических атттенн.
-
Методика инженерного проектирования классической ЛПВА.
4. Методика проектирования ЛПА из несимметричных
вибраторов.
5. Методика проектирования ЛПА с уменьшенными размерами.
6. Методика проектирования сверхширокополосных ФАР
линейной и плоской геометрии.
7. Эффект устойчивости характеристик ЛПВА в р-.шетке.
8. Проектирование антенн для передачи-приема сверхшироко
полосных сигналов.
-
Проектирование приемных сверхширокополосных антенн с активными элементами.
-
Проектирование сверхширокополосных СВЧ-устройств лого-периодической структуры.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном научно-методическом семинаре высшей школы по прикладной электродинамике (г. Москва, апрель 1978г. и март 1984г.); на Межведомственных научно-технических конференциях по теории и технике антенн (Москва, 1983, 1985, 1987 г.г.); на Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, -1984г.); на Всесоюзных научно-технических конференциях по прикладной электродинамике (Одесса, 1988г., Казань, 1990г.); на других конференциях республиканского и вузовского уровня (Белоруссия, Гомельский государственный университет).
Публикации. По материалам диссертации в открытой печати опубликовано 32 работы: монография, учебное пособие, 19 статей в центральных журналах, 4 тезисов докладов, получено 7 авторских свидетельств на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из 7 глав, введения, заключения, списка литературы из 115 наименований. Работа изложена на 285 стр. текста, включая 51 стр. иллюстраций.