Содержание к диссертации
Введение 5
1. Анализ проблемы создания высокоэффективных САПР антенн и 12
СВЧ устройств
-
Обзор систем САПР СВЧ устройств 12
-
Обзор низкопрофильных антенных конструкций - объектов 26 проектирования современных САПР СВЧ антенн и устройств
-
Обзор математических методов моделирования пассивных 41 СВЧ устройств
L4 Выводы 46
2. Математическое обеспечение подсистемы САПР плоских 49
дифракционных антенн
2.1 Разработка математической модели для расчета дисперсион- 49
ных характеристик металл од иэлектрических структур на основе дифракционных решеток с различным профилем пазов
-
Использование обобщенных матриц рассеяния для уче- 49 та влияния слоя диэлектрика на характеристики метал-лодиэлектрической структуры
-
Определение коэффициентов отражения дифракцион- 55 ной решетки с помощью метода интегральных уравнений
-
Алгоритм вычисления нормальной производной квази- 59 периодической функции Грина
-
Описание алгоритма расчета угло-частотных характе- 65 ристик металлодиэлектрических структур на основе дифракционных решеток с различным профилем паза
-
Разработка математической модели дифракционного анализа 73 структуры «металлическая решетка из брусьев — диэлектрический слой - металлическая гребенка»
-
Разработка математической модели дифракционного анализа 94 структуры «трехуровневая металлическая решетка накрытая
слоем диэлектрика»
2.4 Разработка математической модели и расчет характеристик 114
антенны на основе плоского фокусирующего рефлектора
2.5 Выводы 125
Расчет электродинамических характеристик периодических 127
структур с различным профилем пазов с помощью разработан
ных САПР моделей и экспериментальная проверка их адекватно
сти
3.1 Исследование распределения тока на поверхности коорди- 127
натных и некоординатных периодических структур при их
облучении плоской //-поляризованной волной
-
Моделирование распределения тока на гребне дифрак- 127 ционных решеток с трапециевидным профилем паза
-
Моделирование распределения тока на гребне дифрак- 144 ционных решеток с прямоугольным профилем паза
-
Моделирование распределения тока на гребне 162 дифракционных решеток с треугольным профилем паза
3.2 Проверка адекватности модели дифракционного анализа 179
структуры «металлическая решетка из брусьев — диэлектри
ческий слой — металлическая гребенка»
-
Экспериментальное исследование одноуровневой пе- 180 риодической структуры, нарытой слоем диэлектрика
-
Волноводно-щелевые антенны с металлическими импе- 185 дансными структурами
*
3.3 Проверка адекватности модели дифракционного анализа 189
структуры «трехуровневая металлическая решетка, накрытая
слоем диэлектрика»
3.4 Выводы 197
4 Разработка элементов САПР СВЧ антенн на основе дифракцион- 198
ных периодических структур и описание антенных устройств,
разработанных с их помощью
4Л Функционирование подсистем САПР 198
4.2 Антенные устройства, созданные с помощью элементов 211
САПР
-
Антенна на основе плоского фокусирующего дифрак- 211 ционного рефлектора
-
Плоская дифракционная антенна с центральным возбу- 214 ждением
-
Плоская дифракционная антенна с электронным управ- 217 лением поляризации принимаемых волн
-
Экспериментальное исследование волноводно-щелевых 219 антенн с импедансными структурами
4.3 Выводы 224
Заключение 225
Список литературы 227
Приложение 243
Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность систем автоматизированного проектирования (САПР) плоских дифракционных антенн в значительной степени определяется качественными показателями математического обеспечения, применяемого для проведения расчетов. Как правило, в современных САПР антенно-фидерных устройств используются универсальные численные методы - чаще всего метод конечных элементов и метод моментов. Преимуществом такого подхода является практическое отсутствие ограничений на морфологию анализируемого электродинамического объекта. Однако есть и существенные недостатки, к каковым можно отнести низкую производительность программных средств, предназначенных для моделирования апергур-ных антенн больших электрических размеров. Так, анализ трехмерных многослойных металл од иэлектрических структур, электрические размеры которых превышают ЗА,х10Хх10Х, с помощью вышеупомянутых методов либо невозможен, либо требует неоправданно больших затрат машинного времени даже при использовании столь мощных электродинамических симуляторов, как Microwave Studio CST, Zeland, HFSS HP, Maxwell, ADS и других.
Постоянное ужесточение требований по массогабаритным показателям современной радиоаппаратуры, которые распространяются и на антенные устройства, заставляют проектировщиков искать новые принципы и подходы автоматизированного проектирования плоских СВЧ антенн, в частности, дифракционного типа [1-4]. Плоские дифракционные антенны, используемые в современных радиоэлектронных системах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн, зачастую характеризуются весьма высоким коэффициентом усиления, достигающим 40-ь46 дБ, могут иметь размеры излучающей апертуры до (36V72A,)x(36-h72A,). Таким образом, электрический объем высоконаправленных плоских дифракционных антенн может достигать 5000А,, что делает проблематичным анализ подобных структур даже на современных суперкомпьютерах семейства CRAY ORIGIN [5].
Одним из путей решения данной проблемы может быть создание специального высокоэффективного математического и программного обеспечения подсистемы автоматизированного проектирования плоских дифракционных преобразователей поверхностных волн в объемные, ориентированной на использование персональных IBM-совместимых компьютеров. Кроме того, созданная подсистема САПР позволит существенно улучшить многие характеристики плоских дифракционных антенн: повысить их КПД, коэффициент использования поверхности, расширить полосу рабочих частот, уменьшить габаритные размеры и массу. Учитывая вышесказанное, разработка математических моделей, составляющих основу математического обеспечения САПР плоских дифракционных антенн СВЧ диапазона, а также создание соответствующего программного обеспечения является актуальной научной задачей.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Информационные технологии в образовании и науке» в рамках основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства», «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Целью диссертационной работы является создание математического и программного обеспечения подсистемы САПР, предназначенной для создания и анализа плоских антенн дифракционного типа. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: разработки универсальной математической модели для анализа периодических структур с некоординатной и координатной формой паза отражательных дифракционных решеток, входящих в их состав; создания математической модели, предназначенной для анализа периодической металлодиэлектрическои структуры «металлическая решетка из брусьев — диэлектрический слой — металлическая гребенка»; разработки математической модели для анализа периодической структуры «трехуровневая металлическая решетка накрытая слоем диэлектрика»; создания математической модели для расчета конструктивных размеров и характеристик дифракционной антенны на основе плоского фокусирующего рефлектора; проведения численного моделирования с последующей экспериментальной проверкой полученных результатов с целью подтверждения адекватности разработанных математических моделей; разработки структуры подсистемы САПР плоских дифракционных антенн и оценки адекватности функционирования ее отдельных элементов с помощью создания и исследования экспериментальных образцов анализируемых антенных устройств.
Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории систем автоматизированного проектирования, методы классической электродинамики решения краевых задач: метод частичных областей, метод интегральных уравнений, метод обобщенных матриц рассеяния, теория дифракции электромагнитных волн на металлодиэлектри-ческих структурах, стандартные методики измерения характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона.
8 Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
Предложены математические модели дифракции плоских электромагнитных волн на бесконечно протяженных композиционных периодических структурах, отличающиеся от известных более компактным аналитическим описанием, наглядностью, удобством, возможностью простой интеграции в существующие САПР антенных и СВЧ устройств.
Получена математическая модель, позволяющая проводить расчеты геометрических размеров фокусирующей дифракционной структуры, и характеристик антенных устройств, созданных на ее основе.
Разработаны алгоритмы и программы для их дальнейшего использования в подсистеме САПР, предназначенной для проектирования СВЧ дифракционных антенн.
Предложена методика моделирования дифракции плоских волн на некоординатной металл од иэлектричес кой структуре, основанная на использовании ее ступенчатой координатной аппроксимации.
Практическая ценность работы. Разработанные математические модели являются основой для практической реализации структуры САПР СВЧ антенн дифракционного типа. Возможно также их использование в различных других САПР антенных устройств, при создании и совершенствовании низкопрофильных СВЧ антенн, радиотехнических устройств СВЧ и КВЧ диапазонов, использующих эффект взаимодействия с пространственными гармониками рассеянного спектра волн. В ходе работы были созданы плоские высокоэффективные антенны, предназначенные для работы в СВЧ диапазоне.
9 Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ЗАО «ИРКОС», НКТБ «Феррит» (г. Воронеж); в рамках НИР «Построение теории дифракционных плоских антенн и структур СВЧ и КВЧ диапазонов с малой радиозаметно-стыо для радиосистем тактического звена» [6] и «Построение строгих аналитических, полуэмпирических и эвристических моделей и алгоритмов, учитывающих электродинамическую связь между вибраторными антенными решетками и корпусом носителя в диапазоне 20-2000 МГц» [7], а также внедрены в учебный процесс ВГТУ по специальности 200700 «Радиотехника» (методические указания [8, 9], курсовое и дипломное проектирование на кафедре РЭУС), и использованы в учебном процессе Воронежского института МВД.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы док ладывались на VII-й, VIII-й и ІХ-й международных научно-технических кон ференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2001^-2003), еже годных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2001-г2003).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах (11 статьях, в том числе 7 в центральной печати, тезисах 3 докладов); зарегистрировано 5 программных средств. В работах опубликованных в соавторстве, и приведенных в списке литературы лично соискателю принадлежит: [139, 140] — экспериментальное исследование угло-частотных характеристик периодических координатных и некоординатных структур; [141, 142] — обзор существующих методов анализа и технических решений, направленных на снижение отраженного от объекта излучения, где в ча- стности рассматривалась возможность применения металлодиэлектрических структур в качестве противорадиолокационного покрытия; [143, 144, 145] -программная реализация, проведение моделирования и экспериментальное подтверждение правильности проведенных расчетов; [118, 119, 125, 126, 134] ~ создание программ. В работах [135, 138, 146-150] автору принадлежит теоретическое описание и экспериментальное исследование, созданных антенных устройств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы включающего 150 наименований и приложения. Работа изложена на 242 страницах, содержит 169 рисункаи 2 таблицы.
Основные положения, выносимые на защиту.
Математические модели дифракции плоских электромагнитных волн //-поляризации на бесконечно протяженных идеальных периодических координатных и некоординатных металлодиэлектрических структурах.
Математическая модель СВЧ антенны на основе плоского фокусирующего дифракционного рефлектора.
Алгоритмы реализации этих математических моделей для проведения вычислительных экспериментов взаимодействия электромагнитных волн с различными дифракционными структурами.
Результаты натурных и вычислительных исследований дифракционных металлодиэлектрических структур и антенн.
Структура подсистемы САПР плоских дифракционных антенн.
В первой главе диссертации проведен анализ современного состояния рынка программных продуктов, предназначенных для создания и анализа различных СВЧ устройств, включая антенны; рассмотрены методы которые могут быть использованы для построения математических моделей взаимодействия электромагнитных волн с дифракционными структурами; приведен обзор существующих низкопрофильных СВЧ антенн и плоских антенных устройств высокой направленности.
Вторая глава посвящена описанию разработанных физико-математических моделей взаимодействия плоских электромагнитных волн с металлодиэлектрическими структурами. Приведены: математические модели, основанные на методе частичных областей предназначенные для анализа координатных структур; математическая модель, основанная на методе интегральных уравнений с привлечением математического аппарата обобщенных матриц рассеяния для анализа структур с некоординатным профилем; математическая модель, описывающая работу плоского фокусирующего дифракционного рефлектора.
В третьей главе приводится результаты численного моделирования распределения тока по поверхности гребня дифракционных структур с различным профилем пазов, а также дисперсионные характеристики металлоди-электрических периодических структур и их экспериментальное исследование с целью подтверждения адекватности разработанных математических моделей.
В четвертой главе представлена структура САПР дифракционных антенн СВЧ диапазона, а также реальные конструкции разработанных антенн, приведены их экспериментальные характеристики.
