Содержание к диссертации
Введение
1. Общие принципы построения сапр дифракционных структур 15
1.1. Анализ современных САПР дифракционных структур 15
1.2. Особенности построения САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн 24
1.3. Постановка и пути решения задач рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы 29
1.3.1. Обоснование выбора метода интегральных уравнений для расчета поля рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы 29
1.3.2. Обоснование целесообразности использования модального метода расчета характеристик рассеяния полых структур эллиптического поперечного сечения 33
1.3.3. Особенности решения задач оценки характеристик рассеяния электромагнитных волн на дифракционных структурах при их проектировании 35
Выводы 39
2. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полых структурах сложной формы методом интегральных уравнений 41
2.1. Основные средства проектирования дифракционных структур 41
2.2. Алгоритм расчета поля рассеяния электромагнитных волн на двумерных идеально проводящих полых структурах сложной формы с радиопоглощающими покрытиями 44
2.3. Расчет характеристик рассеяния двумерных полых структур сложной формы с радиопоглощающими покрытиями 54
2.4. Оценка возможностей модального метода для расчета характеристик рассеяния двумерных идеально проводящих полых структур 59
2.5. Построение алгоритма оценки средних характеристик рассеяния полых структур 66
2.6. Нейросетевое моделирование процессов распространения и рассеяния электромагнитных волн 72
Выводы 78
3. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полых структурах круглого и эллиптического поперечного сечения сложной формы 80
3.1. Постановка задачи и алгоритм расчета поля рассеяния электромагнитных волн на идеально проводящих полых структурах круглого поперечного сечения сложной формы 80
3.2. Расчет методом интегральных уравнений характеристик рассеяния полых структур круглого поперечного сечения сложной формы 85
3.3. Постановка задачи и алгоритм определения электромагнитного поля, рассеянного полой структурой эллиптического поперечного сечения 92
3.4. Результаты расчета модальным методом характеристик рассеяния полых структур эллиптического поперечного сечения 109
Выводы 121
4. Решение задач рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы 123
4.1. Решение обратной задачи при рассеянии электромагнитной волны на полости 123
4.2. Применение итерационного алгоритма решения интегральных уравнений в задачах дифракции электромагнитных волн 128
4.3 Алгоритм оценки характеристик рассеяния объектов сложной формы с использованием метода краевых волн 134
4.4 Построение алгоритма расчета характеристик рассеяния рупорных антенн 139
Выводы 145
5. Алгоритмы расчета радиолокационных характеристик антенн 146
5.1.. Расчет характеристик двумерно-периодичных гребенок с диэлектрическим волноводом 146
5.2. Расчет металло-диэлектрических антенн 168
5.2.1. Плоская дифракционная антенна с электронным управлением поляризации принимаемых волн 168
5.2.2. Расчет характеристик металлодиэлектрических антенн на основе методов строгого электродинамического анализа... 180
5.3. Моделирование СВЧ антенны на основе фокусирующей отражательной решетки с помощью трехмерных векторных интегральных уравнений Фредгольма второго рода 189
5.4. Разработка, математическое моделирование и экспериментальные исследования рупорно-щелевого возбуждающего элемента дифракционных антенных решеток СВЧ диапазона волн 202
5.5. Расчет характеристик рассеяния вибраторных антенн на основе метода интегральных уравнений 216
Выводы 226
6. Разработка информационного и программного обеспечения сапр дифракционных структур 227
6.1. Разработка структурной схемы САПР дифракционных структур 227
6.2. Оценка адекватности и эффективности разработанной САПР дифракционных структур, рекомендации по ее практическому использованию 237
Выводы 239
Заключение 240
Литература 242
- Обоснование выбора метода интегральных уравнений для расчета поля рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы
- Расчет характеристик рассеяния двумерных полых структур сложной формы с радиопоглощающими покрытиями
- Расчет методом интегральных уравнений характеристик рассеяния полых структур круглого поперечного сечения сложной формы
- Алгоритм оценки характеристик рассеяния объектов сложной формы с использованием метода краевых волн
Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема создания радиолокационных объектов отвечает требованиям обеспечения обороноспособности страны и развития средств связи для гражданского применения. Она всегда отличалась сложностью решений, прежде всего потому, что рассеиватели радиолокационных сигналов (радиолокационные цели (РЦ) космического, воздушного, наземного и водного базирования) и преобразователи энергии электромагнитных волн (ЭМВ) (транспаранты, средства уменьшения заметности в радиодиапазоне волн, антенные устройства СВЧ и КВЧ диапазонов волн), как правило, характеризуются большими электрическими размерами (ЭР), сложной геометрией, наличием поглощающих и нелинейных элементов. Анализ и синтез вышеупомянутых электродинамических объектов на основе грубого представления о протекающих в них физических процессах несут в себе опасность появления существенных и трудно контролируемых погрешностей оценки их основных характеристик, которые, как правило, очень быстро изменяются при изменении частоты, вида поляризации и угла падения ЭМВ.
В последнее время создание радиолокационных объектов значительно усложнилось. Это связано с тем, что возросли требования к техническим характеристикам таких объектов, которые определяются увеличением дальности обнаружения цели, быстродействии его идентификации, большими углами обзора и т.п. Для этого необходимо знание ряда тонких характеристик рассеивателей и антенных устройств (уровня кросс-поляризационного излучения, фазовой диаграммы направленности, а также уровня боковых и задних лепестков амплитудной диаграммы направленности (ДН)), свободное от искажающих воздействий, вызываемых ЭМВ, рассеянными на конструктивных элементах, корпусах измерительной аппаратуры и т.д. Особенно эта задача остро стоит для объектов сложной формы с большими электрическими размерами.
Для создания современных радиолокационных объектов необходимо усовершенствовать средства их проектирования. При этом одной из основных проблем является моделирование работы базовых элементов дифракционных структур в широком диапазоне требуемых характеристик и расчет характеристик рассеяния антенн, отвечающих современным требованиям.
Так как зарубежные средства моделирования данных характеристик являются секретом фирм-производителей и не продаются на мировом рынке, а известные программные комплексы, системы и подсистемы не обеспечивают моделирования всего комплекса свойств в новых условиях в области теории САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их решению, начиная от совершенствования физических моделей процессов и заканчиваю программной реализацией.
Данная работа посвящена разработке средств проектирования дифракционных структур больших ЭР и радиолокационных антенн с заранее заданными техническими характеристиками и потому является актуальной.
Работа выполнена в рамках одного из научных направлений Воронеж-
ского института высоких технологий «САПР и системы автоматизации производства».
Диссертационная работа выполнена на кафедре информатики и вычислительной техники Воронежского института высоких технологий в рамках госбюджетной НИР по теме «Моделирование информационных технологий; разработка и совершенствование методов и моделей управления, планирования и проектирования технических, технологических, экономических и социальных процессов и производств» (Nr.p. 01.2005.2305).
Часть алгоритмов были использованы при выполнении работ по гранту РФФИ № 09-04-97503-р_центр_а.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключалась в создании комплекса методов, моделей, алгоритмов и программных средств проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, входящих в состав объектов техники, обеспечивающих повышение эффективности функционирования САПР радиолокационных объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ современных отечественных и зарубежных электродинамических САПР, выделить основные существующие проблемы в данной области, выяснить причины их появления и определить пути повышения эффективности автоматизированного проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн;
определить требования к САПР, целевые задачи проектирования, архитектуру технических средств и функциональную схему САПР;
разработать математические модели поведения базовых элементов дифракционных структур в широком диапазоне требуемых характеристик;
построить математические модели работоспособности базовых элементов антенн в зависимости от их размеров и формы;
разработать алгоритмы расчета характеристик рассеяния антенн на основе использования алгоритмов расчета базовых дифракционных структур;
построить алгоритмы расчета параметров антенн, позволяющих получать требуемые характеристики;
разработать информационное, методическое и программное обеспечение АПР дифракционных структур и радиолокационных антенн;
провести промышленную апробацию, определить экономический эффект разработки и внедрить результаты исследования на предприятиях и в учебных заведениях.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории систем автоматизированного проектирования, методы технической электродинамики, теории дифракции электромагнитных волн на металлодиэлектрических структурах, стандартные методики измерений характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона волн, методы исследования операций, математического моделирования и программирования. Общей методологической основой являлся системный подход.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
методология построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, обеспечивших унификацию технического, математического и программного обеспечения и заложивших основу создания единого информационного пространства проектирования объектов сложной формы и радиолокационных антенн;
математические модели и алгоритмы численного анализа дифракции плоских однородных ЭМВ на дифракционных структурах, входящих в состав объектов сложной формы, антенно-фидерных трактов и радиолокационных антенн, отличающиеся возможностью проектирования устройств с заданными требованиями по характеристикам рассеяния ЭМВ в широком секторе углов наблюдения;
математические модели и алгоритмы расчета характеристик двумерно-периодичных решеток, дающие возможность проводить исследования при высокой точности расчета характеристик рассеяния ЭМВ, в отличие от существующих эвристических приближенных моделей;
математические модели расчета характеристик металлодиэлектрических антенн, позволившие расширить класс исследуемых металло-диэлектрических антенн при их синтезе и анализе;
методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства, соответствующих базовым принципам современных информационных технологий и позволяющие создавать устройства с заданными характеристиками.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные методики, проблемно-ориентированные модели и алгоритмы послужили основой для создания и внедрения программных средств для проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн. Создана библиотека базовых схем дифракционных антенн, позволяющая повысить эффективность САПР. Использование в САПР простых и эффективных методов, физико-математических моделей и алгоритмов позволяет исследовать характеристики дифракционных структур, входящих в состав антенн и создавать такие структуры с необходимыми для практического использования характеристиками. Основные возможности предложенных математических моделей и алгоритмов апробированы на практике путем сравнения с литературными данными и экспериментальными данными.
Полученные в работе результаты позволяют проводить расчет радиолокационных характеристик дифракционных структур, когда по различным причинам нельзя провести экспериментальные исследования.
На защиту выносятся: 1. Принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн.
-
Математические модели и алгоритмы численного анализа дифракции плоских однородных ЭМВ на дифракционных структурах, входящих в состав объектов сложной формы, антенно-фидерных трактов и радиолокационных антенн.
-
Математические модели и алгоритмы расчета характеристик двумерно-периодичных решеток.
-
Математические модели расчета характеристик металлодиэлектрических антенн.
-
Методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства
Научные результаты внедрены в процесс автоматизированного проектирования дифракционных элементов, входящих в состав объектов техники и антенных систем на предприятии «ИРКОС» (г. Москва, Воронежский филиал).
Подсистемы моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования дифракционных элементов и СВЧ антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн используются при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальности «Системы автоматизированного проектирования» в Воронежском государственном техническом университете и в учебном процессе для специальности «Информационные системы и технологии» в Воронежском институте высоких технологий.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Воронежской высшей школы МВД России (1996, 1997), 3-ми 4-м Международных симпозиумах по ЭМС (Санкт-Петербург, 1997, 2001), 4-й, 11-й, 12-й и 13-й Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж 1998, 2005-2007), 5-й межвузовской научно-технической конференции Воронежского института радиоэлектроники (1998), 3-й Международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи" (Воронеж 1997), Всероссийских научно-практических конференциях "Охрана-97" и "Охрана-99" (Воронеж, 1997, 1999), 28-й Международной конференции "Теория и техника антенн" (ТТА98), (Москва, 1998), Второй Всероссийской конференции «Математическое моделирование», (Самара, 2005), научно-технической конференции «Информационные технологии» («ИТ-2005», Воронеж), 6-й Международной научно-практической конференции «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск, 2006), 12 республиканской открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2006), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях при техногенных катастрофах» (Воронеж, 2006, 2007), отчетной научной конференции профессорско-преподавательского состава ВИВТ (Воронеж, 2006).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 62 научных работах, в том числе 20 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).
В работах выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: разработка алгоритмов рассеяния электромагнитных волн на трехмерных структурах, а также полученные расчетные результаты [5, 26, 27, 33, 37, 39, 41], расчетные результаты [1, 4, 6, 23, 34, 35, 36, 42], разработанные алгоритмы расчета и полученные результаты [9, 10, 18, 30, 31, 53], рекомендации по выбору методов моделирования [19, 23, 24, 37, 38], предложения по структуре и обеспечению САПР [20, 21], алгоритмы расчета характеристик рассеяния элементов антенн [7, 11-15, 29], элементы алгоритмов расчета характеристик рассеяния трехмерных структур [8, 16, 17, 25], результаты расчетов, полученных на основе тестовой модели [40], программная реализация алгоритмов [56-62].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (280 наименований), изложена на 270 страницах, содержит 90 рисунков, 8 таблиц, 1 приложение.
Обоснование выбора метода интегральных уравнений для расчета поля рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы
Проводя анализ современных радиотехнических систем, можно сделать вывод, что одним из актуальных комплексов задач в настоящее время является разработка различных технических комплексов, использующих антенно-фидерные комплексы, как для военных, так и для гражданских целей. Если оценить стоимость антенно-фидерных устройств, входящих в состав радиотехнических систем, то эта стоимость составляет значительную часть от полной стоимости всех объектов.
Разработка современных объектов, использующих антенно-фидерные устройства, является сложной научно-технической проблемой, при решении которой могут использоваться системы автоматизированного проектирования (САПР).
В последние несколько лет идет активное развитие программных средств для анализа и проектирования различных дифракционных структур, которые входят в состав различных объектов техники и антенно-фидерных устройств. Разработка программного обеспечения в настоящее время - довольно высокооплачиваемый вид деятельности. Это относится и к разработке САПР.
Рассмотрим особенности используемых в настоящее время в России и за рубежом САПР антенно-фидерных и СВЧ устройств.
В настоящее время среди множества САПР выделяется множество прикладных программных систем, отличающихся областью применения, назначением, уровнем автоматам, аппаратными и системными средами и т. д. Наибольший интерес представляют интеллектуальные САПР с интегрированными ресурсами [61, 133, 134, 274, 275], реализующие сквозной цикл проектирования, позволяющие проектировать электронные изделия, начиная с принципиальной схемы и заканчивая управляющими файлами для технологического оборудования.
При развитии информационных технологий важная роль придается созданию эффективного взаимодействия человека с компьютером, а также созданию эффективного графического интерфейса.
Разработка САПР СВЧ-устройств началась еще в 1960-е годы, но в последнее десятилетие были достигнуты наиболее существенные успехи. Исторически сложилось так, что автоматизация проектирования в радиоэлектронике началась с трассирования печатных плат [141, 142, 175]. Однако в дальнейшем появились системы расчета электромагнитного поля в пространстве.
Рассмотрим основные особенности САПР, предназначенных для разработки электронных устройств.
Система Visual System Simulator 258, 259] предназначена для моделирования систем, работающих с широкополосными цифровыми сигналами. Как и в других программах анализа структурных схем, проект создается из библиотечных моделей, которые соединяются между собой непосредственно на экране. Эта программа работает с потоками данных и позволяет моделировать устройства с большими скоростями передачи данных, а также с асинхронными потоками. Система проводит расчет форм и спектров сигналов, выполняет статистический анализ на основе метода Монте-Карло, сквозное моделирование канала с учетом кодирования данных в источнике, модуляции, демодуляции, цифровой обработки сигналов, а также позволяет учитывать специфические характеристики канала: замирание, многолучевость распространения сигналов и наличие помех различных типов. Рассматриваемая система имеет несколько специализированных библиотек для анализа коммуникационных систем с обширными возможностями обработки и кодирования цифровых данных.
Пакет программ Omega PLUS [260] предназначен для анализа целостности проекта (т. е. оценки влияния конструктивных особенностей печатных плат на их электрические характеристики) и моделирования электромагнитной совместимости (ЭМС, т. е. расчета электромагнитных полей) до изготовления реальных конструкций. При этом сокращаются сроки проектирования, и уменьшается стоимость проекта (за счет уменьшения количества изготавливаемых вариантов печатных плат) при высоком качестве.
BETAsoft (производитель - компания Dynamic Soft Analisys) представляет собой систему теплового анализа электронных устройств [261, 262]. Современная радиоэлектронная аппаратура помимо сложных алгоритмов работы характеризуется также и сложной физической реализацией. При тепловом анализе наблюдается следующее: растут плотность монтажа и мощности, но при этом увеличивается чувствительность элементной базы к температуре. В этой ситуации довольно сложно делать необходимую компоновку элементов на печатной плате. До недавнего времени проектирование печатных плат с учетом ее тепловых характеристик велось следующим способом: разрабатывалась печатная плата, проводилось тепловое моделирование, если результаты были неудовлетворительными, разработка начиналась сначала, повторялось тепловое моделирование и так далее до получения приемлемых результатов (если это все-таки удавалось сделать).
Расчет характеристик рассеяния двумерных полых структур сложной формы с радиопоглощающими покрытиями
В данной главе разрабатывается алгоритм расчета характеристик рассеяния ЭМВ трехмерными полыми структурами круглого поперечного сечения сложной формы. Подобные структуры входят в состав современных объектов техники (например, воздухозаборники, выходные сопла летательных аппаратов и др.) [45, 238]. Другим примером являются антенные решетки, в состав которых входят волноводы круглого поперечного сечения [46].
Рассеяние электромагнитной волны на идеально проводящей полой структуре круглого поперечного сечения сложной формы
Как уже было сказано в первой главе, метод интегральных уравнений является универсальным методом. При его использовании достаточно знать поверхность тела и электрические характеристики (импеданс) этой поверхности. Этот метод характеризуется также высокой устойчивостью и точностью получаемых решений. Метод интегральных уравнений позволяет получить характеристики рассеяния ЭМВ на двумерных телах, например, [27, 60, 72]. Однако интенсивное развитие вычислительной техники способствует разработке электродинамических моделей трехмерных полых структур, позволяющих получать важные прикладные результаты.
Рассмотрим рассеяние плоской ЭМВ на трехмерной металлической полой структуре сложной формы круглого поперечного сечения (рис. 3.1). Ограничимся решением задачи для случая Н-поляризации.
Основанный на методе интегральных уравнений алгоритм расчета ЭПР рассматриваемой структуры сложной формы состоит из следующих основных этапов [143].
Записывается интегральное уравнение Фредгольма второго рода для электрического тока [116] с учетом граничных условий на поверхности идеально проводящей полой структуры (рис. 3.1) Js(r) = 2nxH (r) +—nx lJ/r)xgracPGctt, (3.1) 2п s где G = exp(-jh )lr - трехмерная функция Грина для свободного пространства, являющаяся решением трехмерного уравнения Гельмгольца при 8-образном источнике [14, 172, 183,]; s -поверхность объекта; п — внешняя нормаль к поверхности структуры в точке наблюдения; Js = [п x H7 - поверхностная плотность эквивалентного электрического тока; Н (г)= хН х+уН у+2Л1 - вектор падающей плоской вертикально поляризованной ЭМВ.
При математическом моделировании рассеяния электромагнитных волн на полостях методом интегральных уравнений нами было выбрано интегральное уравнение, которое соответствует решаемой задаче. В данном параграфе мы ставим своей целью рассмотрение алгоритма, который в дальнейшем будет использоваться для расчета характеристик рассеяния ЭМВ на трехмерных полых структурах круглого поперечного сечения. Достоверность результатов, полученных на основании данного алгоритма, будет в последующих параграфах проверяться сравнением теоретических и экспериментальных данных. В этой связи, так как реальные полые структуры имеют конечную толщину стенок, при моделировании рассеяния электромагнитных волн с использованием метода интегральных уравнений необходимо выбрать интегральное уравнение Фредгольма второго рода, которое в более ранних работах использовалось для расчета характеристик рассеяния ЭМВ на выпуклых телах [14, 27, 60, 183]. Отметим, что интегральное уравнение Фредгольма первого рода позволяет рассчитывать характеристики рассеяния ЭМВ различных тел, в том числе бесконечно тонких экранов [48].
С целью определения неизвестных поверхностных электрических токов Js(r) на поверхности рассматриваемой структуры интегральное уравнение (3.1) решается методом моментов [116, 218] следующим образом. Вводится система базисных функций, по которым раскладываются электрические токи на поверхности объекта. В нашем случае в качестве базисных функций были выбраны кусочно-постоянные функции. Далее вводится система пробных функций.
Расчет методом интегральных уравнений характеристик рассеяния полых структур круглого поперечного сечения сложной формы
Для определения в (5.5) неизвестных на поверхности элемента гребенки величин JQ()(xQQ,ym,ZQ0) выберем систему базисных функций, по которым разложим электрические и магнитные поля. Для простоты ограничимся кусочно-постоянными функциями [116]. Далее введём систему пробных функций из 5-функций Дирака, использование которых физически означает, что граничные условия будут вы 152 подняться не на всей поверхности S, а лишь в некоторых её точках [116]. В результате этих действий уравнение (5.1) дискретизируется и сводится к системе линейных алгебраических уравнений вида:
По найденному распределению плотности тока на поверхности элемента гребенки может быть определено рассеянное электромагнитное поле [116].
Для учета влияния на характеристики рассеянного поля планар-ного диэлектрического волновода, который расположен параллельно двумерно-периодической гребенке, был использован метод обобщенных матриц рассеяния [116] для «сшивания» полей, рассеянных от гребенки и плоской диэлектрической пластины [20-22]. Достоинством рассматриваемого подхода при дифракции Е- и Н- поляризованных волн на металлической гребенке с диэлектрическим слоем состоит в сокращении необходимого машинного времени на 25 4- 30% по сравнению с решением задачи на гребенке (применение метода полуобращения ко всей структуре в целом).
На рис. 5.4 изображена исследуемая структура, представляющая собой бесконечную в плоскости хОу идеально проводящую прямоугольную гребенку со слоем диэлектрика. Эта структура имеет следующие параметры: период d, ширину пазов W и глубину пазов hb она помещена в многослойный диэлектрик с областями 1 (sb р,ь толщина h) и 2 (є2, \І2, толщина Н). Структура облучается из полупространства 0, заполненного средой с параметрами s = s0 и \х = ц0 плоской ЭМВ единичной амплитуды, падающей под углом (р.
С целью применения к анализу дифракции плоской Е-поляризованной волны на металлической гребенке со слоем диэлектрика (рис. 5.2) метода обобщенных матриц рассеяния, рассмотрим две вспомогательные структуры: рис. 5.5, а) - диэлектрический волновод толщиной h с параметрами єь ць граничащий сверху и снизу с полуплоскостями, которые характеризуются параметрами (s0, ja0) и (s2, Ц2) соответственно; и рис. 5.5, б) - металлическая гребенка, подобная изображенной на рис. 5.4, которая погруженна в полубесконечный в направлении z диэлектрик с параметрами (s2, ц2).
При построении математической модели задачи дифракции необходимо определить вектор амплитуд А = [ап]=_т пространственных гармоник в области 0, рис. 5.4. Этот вектор амплитуд А можно представить в виде [21, 117, 192]: где / — единичная матрица; элементы вектора коэффициентов отражения гармоник Флоке при прохождении слоев (0 - 1 - 2)Von нахо Z -ZH/cosfo) (воздуха); ки = д/Лщ-Ф и kiz = л/х гИг-ФІ! - поперечные волновые числа п-й гармоники Флоке для областей 1 и 2 соответственно; элементы диагональной матрицы коэффициентов отражения гармоник Флоке при прохождении слоев (2 - 1 - 0)V2W находятся
В ходе математического моделирования изучались свойства одномерно- и двумерно-периодичных структур со следующими параметрами: г = 2.56, t = 6 мм, d = 24 мм, W= 8 мм, глубина ДР h\ составляла 4 мм, 6.6 мм и 9.2 мм. Интервал изменения прицельного расстояния R составлял 0 -ь 25 мм. Исследования выполнены в диапазоне частот 8 -г- 12.4 ГГц, ниже приводятся некоторые полученные результаты. Эксперименты взяты из [136]. В [136] исследовались подобные структуры, но в данной работе за счет использования метода интегральных уравнений может быть достигнута большая универсальность.
В табл. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 приняты следующие обозначения: 5«(_i) -средняя относительная погрешность вычислений величины постоянной вытекания - 1-й пространственной гармоники (ИГ) a(_,); Ы{-\)т -средняя абсолютная погрешность расчетов угло-частотных характеристик; ЪШРП — относительная погрешность определения частоты резонанса Брэгга второго порядка. В табл. 5.1 приведены результаты анализа численных расчетов и экспериментов для параметров одномерно- и двумерно-периодичных структур для прицельного расстояния /2=15 мм (рис. 5.6). В табл. 5.2 рассмотрена оценка точности математической модели для R= 12.5 мм. Данные компьютерного моделирования на основе численного алгоритма и результаты экспериментов исследования даны на рис. 5.7.
Алгоритм оценки характеристик рассеяния объектов сложной формы с использованием метода краевых волн
В данном параграфе мы рассмотрим алгоритм расчета характеристик рассеяния рупорно-щелевого возбуждающего элемента дифракционных антенных решеток СВЧ диапазона волн. В работах [9, 177, 188, 235, 236] рассмотрены возбуждающие элементы (ВЭ), которые применяются в плоских антеннах. К таким устройствам могут быть отнесены рупорно-линзовые и рупорные антенны, сегменты параболоида вращения; кроме того, могут быть использованы периодические дифракционные структуры [188, 189]. Однако, как показывает анализ, даже при значительных продольных размерах в рупорных антеннах могут быть большие фазовые искажения; в рупорно-линзовых антеннах при угле раскрыва, близком к 90, наблюдается существенное падение КИП вследствие значительной концентрации поля в центре и резком спаде к краям излучающей апертуры (даже при исполь 203 зовании зонированных линз). При рассмотрении сегмента параболоида вращения может наблюдаться затенение облучателем раскрыва и неудобство использования в антеннах с управляемой поляризацией. Если рассматривать скошенную дифракционную решетку [188, 189], то ВЭ дают большую эффективность (до 90 4- 95%), но имеют при этом заметные габаритные размеры.
В настоящей работе рассматриваются конструктивные решения ВЭ, предназначенных для плоских антенн с управляемой поляризацией [136]. Рассматриваются два варианта ВЭ: на основе четырех ру-порно-щелевых антенн (РЩА), предложенных в [73, 76], и антенны с крестообразной геометрией, четыре плеча которой образованы же-лобковыми металлическими волноводами, заполненными диэлектриком, на который нанесены парные ленточные вибраторы [246].
Ни рис. 5.34 показан принцип построения ВЭ в виде Н-плоскостной РЩА. При рассмотрении работы РЩА происходит синфазное сложение плоских волн, которые излучаются под углом в прорезанными во внешних узких стенках двух прямоугольных волноводов. Эти волноводы образуют //-образный рупорный раскрыв. При этом ширина щелей W выбирается из условия обеспечения такого амплитудного распределения поля в раскрыве антенны, которое соответствует максимуму коэффициента усиления.
Методика расчета постоянной вытекания для основной волны прямоугольного металлического волновода со щелью в узкой стенке, расположенного между двумя металлическими листами, приведена в монографии [177] и может быть использована для выбора оптимальной величины ширины щелей в РИДА. Дисперсионное уравнение для волновода со щелью в узкой стенке следующее
Расчет токов на освещенной поверхности рассейвателя. Учет вкладов токов в других точках поверхнос! it рассешш с.тя. Рис. 5.35 Алгоритм расчета характеристик антенны Оптимальная величина постоянной вытекания по критерию максимального коэффициента усиления РЩА находится в соответствии с [76].
Максимально возможная эффективность волноводно-щелевого рупорного устройства может быть определена из закона сохранения энергии для одного из плеч рупора [136]: где Рш - мощность, излученная через открытый конец волновода; Р -входная мощность; Рт — мощность, излученная через щель в узкой стенке. Далее, входная мощность и мощность, излученная через щель:
Внешний вид одного из макетов РЩА в разобранном и собранном состояниях приводится на рис. 5.40, а. Четырехканальное устройство возбуждения плоской дифракционной антенны с электронно-управляемой поляризационной чувствительностью на основе рупор-но-щелевой антенны (в разобранном виде) показано на рис. 5.40, б.
Экспериментальные исследования Л-шюскостной рупорно-линзовой антенны (РЛА) с 90-градусным раскрывом показывают, что ее максимальная эффективность не превышает (50 -s- 60) % даже при использовании зонированной линзы [136]. Одним из возможных объяснений данного явления служат резко спадающие амплитуды поля к краям РЛА. Измеренные амплитудные распределения РЩА и рупор-но-линзовой антенны представлены нарис. 5.41.
Из рис. 5.41, 5.42 видно, что эффективность РЩА имеет более высокое значение, чем у рупорно-линзовой антенны с зонированной линзой (до 85% на центральной частоте рабочего диапазона). Видно, что эффективность РИДА в полосе частот (11.1 ч-11.5) ГГц составляет не менее 75 %.
Достоинством исследованной РЩА по сравнению с Я-плоскостной рупорно-линзовой антенной является отсутствие необходимости в корректирующей пластмассовой линзе. Четырехканальное возбуждающее устройство, основными элементами которого служат четыре РЩА (рис. 5.40, б) может быть размещено на обратной стороне излучающей апертуры плоской антенны с электронным управлением видом поляризации, так как его поперечные габариты невелики.
Экспериментально измеренный уровень КСВН РЩА (рис. 5.43) в рабочей полосе не превышает 1.35, что говорит о хорошем согласовании антенны с волноводным трактом [136].
На основе анализа моделирования и эксперимента можно сделать вывод об адекватности рассматриваемой математической модели разработанной Я-секториальной рупорно-щелевой антенны. Основными характеристиками этой модели являются ее простота, хорошее соответствие данным эксперимента. Данный алгоритм является быстродействующим, что позволяет эффективно использовать полученные результаты в системах автоматизированного проектирования (САПР) элементов возбуждения плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона волн.
