Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и проблемы проектирования микроволновых антенн с учетом внешних воздействий 24
1.1 Принципы машинного проектирования антенн 24
1.2 Решение внешней задачи синтеза антенн 28
1.2.1 Условия применения точных аналитических методов синтеза антенн 30
1.2.2 Возможности использования приближенных аналитических методов синтеза антенн 35
1.3 Решение внутренней задачи синтеза антенн 42
1.4 Особенности проектирования микроволновых антенн с учетом внешних воздействий 43
1.5 Методы расчета излучающих систем и возможности их использования для синтеза антенн с учетом внешних воздействий 51
Выводы по главе 1 61
2 Основы теории построения дискретных моделей микроволновых антенн с учетом внешних воздействий 65
2.1 Микроволновая антенна как объект проектирования 65
2.2 Постановка задачи синтеза антенны 70
2.3 Электродинамическая постановка задачи об излучении антенны со сложной пространственной конфигурацией 73
2.4 Дискретные модели микроволновых антенн и внешние воздействия 95
2.4.1 Принципы декомпозиции и рекомпозиции излучающей поверхности микроволновой антенны 96
2.4.2 Синтез геометрической модели микроволновой антенны 97
2.5 Основы информационной технологии проектирования микроволновых антенн 105
2.5.1 Принципы построения дискретных моделей антенн с непрерывной криволинейной поверхностью 105
2.5.2 Предикатная алгебра выбора в дискретных моделях антенн 112
2.5.3 Определение краевых условий в задачах синтеза антенн 114
2.6 Особенности внешних воздействий на микроволновые антенны 123
Выводы по главе 2 129
3 Оценка устойчивости микроволновых антенн к внешним электромагнитным воздействиям 131
3.1 Оценка электромагнитной помехозащищенности антенны по ее характеристике направленности 131
3.2 Методы формирования характеристик направленности антенн, обеспечивающих заданный уровень электромагнитной помехозащищенности 142
3.2.1 Модифицированный метод парциальных диаграмм 143
3.2.2 Метод преобразований Фурье 146
3.2.3 Комбинированный метод 156
3.3 Особенности формирования характеристик направленности антенн для прямоотсчетного моноимпульсного измерения углового положения объектов 161
Выводы по главе 3 169
4 Проектирование микроволновых антенн с учетом механических воздействий 170
4.1 Метод конечных элементов в задачах моделирования влияния ветровых воздействий на антенну 170
4.1.1 Формирование дискретной механической модели отражателя по электродинамической модели излучающей поверхности антенны 171
4.1.2 Характеристики конечного элемента отражателя антенны и особенности его математическое описания 177
4.1.3 Формирование матрицы жесткости конструкции микроволновой антенны 184
4.2 Учет особенностей пространственной конфигурации отражателя антенны 189
4.3 Особенности проектирования микроволновых антенн больших размеров 193
Выводы по главе 4 195
5 Проектирование микроволновых антенн с учетом тепловых воздействий 196
5.1 Формирование тепловой модели отражателя по электродинамической модели излучающей поверхности антенны 196
5.2 Конечно-элементная модель теплообмена отражателя антенны 201
5.3 Локально-одномерная схема оценки температурных искажений отражателя антенны в его сечениях 214
5.4 Оценка влияния тепловых воздействий на геометрические характеристики отражателя антенны 219
Выводы по главе 5 223
6 Оптимизация конструкций антенн с учетом внешних воздействий 224
6.1 Оптимизация микроволновых антенн при их проектировании в равномерном приближении 225
6.1.1 Общий подход к оптимизации микроволновых антенн при проектировании в равномерном приближении 225
6.1.2 Выбор целевой функции в задаче оптимального проектирования микроволновой антенны 228
6.1.3 Оптимизация антенны по энергетическому критерию 234
6.1.4. Оптимизация антенны по обобщенному критерию качества 238
6.1.5 Оценка параметров диаграммы направленности антенны при ее оптимизации 242
6.2 Оптимизация конструкции антенны с учетом внешних воздействий 2 45
Выводы по главе 6 264
7 Прикладные исследования микроволновых антенн 266
7.1 Влияние характеристик антенны на сигнал двухпозиционной системы обнаружения радиолучевого типа 266
7.2 Контроль точности изготовления отражающих зеркал по характеристикам излучения микроволновой антенны 292
Выводы по главе 7 295
Заключение 297
Перечень принятых сокращений , 300
Список использованной литературы 302
Приложение. Акты о внедрении 321
- Возможности использования приближенных аналитических методов синтеза антенн
- Электродинамическая постановка задачи об излучении антенны со сложной пространственной конфигурацией
- Особенности формирования характеристик направленности антенн для прямоотсчетного моноимпульсного измерения углового положения объектов
- Формирование дискретной механической модели отражателя по электродинамической модели излучающей поверхности антенны
Введение к работе
Актуальность темы. Эксплуатационные характеристики микроволновых антенн радиотехнических систем различного назначения в значительной мере определяются решениями, принимаемыми на этапе проектирования, причем в настоящее время информационные технологии, основанные на математическом моделировании и численных методах, во многом определяют стоимость и качество проектных работ. Однако из-за сложности описания физических процессов методы оценки влияния внешних воздействий на характеристики микроволновых антенн к настоящему времени разработаны недостаточно полно. В связи с этим, требуется разработка новых и развитие существующих математических моделей, а также комплексное исследование влияния внешних воздействий на микроволновые антенны с применением новых более совершенных методов моделирования и вычислительного эксперимента. Задачи этого класса являются предметом диссертационного исследования.
В нашей стране разработкой фундаментальных основ и использованием математического моделирования, численных методов и комплексов программ для решения научных и технических проблем успешно занимаются научные коллективы Института прикладной математики им. М. В. Келдыша, Вычислительного центра РАН, Института радиотехники и электроники РАН, Института механики сплошных сред Уро РАН, Сибирского отделения РАН и др. Хорошо известны основополагающие результаты научных школ МГУ им. М. В.Ломоносова (факультета вычислительной математики и кибернетики, механико-математического факультета), МГТУ им. Н. Э. Баумана, МГИЭМ, СПбГЭТУ "ЛЭТИ", Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева, Пермского государственного технического университета и др.
Значительных успехов в развитии численных методов и математического моделирования добились российские и зарубежные ученые Г. И. Марчук, Н. Н. Моисеев, А. А. Самарский, А. Н. Тихонов, О. Зенкевич, Ж.-К. Сабоннадьер, П. Сильвестер и др. В развитие методов моделирования физических процессов, методов проектирования с учетом механических и тепловых воздействий большой вклад внесли работы Ю. Н. Кофанова, В. П. Матвиенко, И. Г. Мироненко,
И. П. Норенкова, В. А. Шахнова и многих других ученых. Моделированию излучения и рассеяния электромагнитных волн наибольшее внимание уделено в работах Л. Д. Бахраха, А. Б. Борзова, Р. П. Быстро-ва, Д. И. Воскресенского, Ю. Г. Смирнова, А. В. Соколова, Л. А Школьного и др. Однако до настоящего времени не решена задача оценки влияния внешних воздействий на микроволновые антенны с криволинейными излучающими поверхностями во взаимной связи с процессами излучения электромагнитных волн. Представляют также научный и практический интерес задачи оптимизации конструкций микроволновых антенн с учетом внешних воздействий при заданном уровне их помехозащищенности. Результаты исследований в этой области представляют собой совокупность частных решений и требуют систематизации и обобщения.
Вместе с тем климатические факторы - температура среды, солнечное излучение - оказывают значительное влияние на температурное поле и напряженно-деформированное состояние конструкций и соответственно на геометрические и электрические характеристики микроволновых антенн. На характеристики микроволновых антенн больших размеров существенное влияние также оказывают ветровые нагрузки. Влияние этих факторов и случайных производственных погрешностей приводит к отклонениям эксплуатационных характеристик микроволновых антенн от требуемых расчетных.
Внешние воздействия на микроволновые антенны обычно анализируются статистическими методами для семейства уже готовых антенн. В результате отсутствия априорной информации о характеристиках микроволновой антенны в реальных условиях эксплуатации в радиолиниях связи например, ухудшается качество сигнала, а в системах обнаружения повышается вероятность пропуска целей.
Успехи в областях вычислительной техники, численных методов, моделирования и оптимизации позволяют найти принципиально новые подходы к проектированию конструкций микроволновых антенн и повышению их устойчивости к внешним воздействиям. Повышение качества антенн может быть получено на основе математического моделирования влияния внешних воздействий на их характеристики направленности и электромагнитную помехозащищенность.
Цель диссертационной работы состоит в развитии теоретических и методологических основ математического моделирования и комплексном исследовании влияния внешних воздействий на характеристики микроволновых антенн, в разработке и совершенствовании математических моделей и методов моделирования, позволяющих повысить устойчивость конструкций антенн к внешним воздействиям.
Основные задачи исследования:
Развитие основ математического моделирования влияния внешних воздействий на микроволновые антенны при их проектировании.
Разработка дискретных моделей микроволновых антенн, отличающихся возможностью оценки влияния внешних воздействий на характеристики излучения.
Теоретическое обоснование методов решения задач синтеза микроволновых антенн, удовлетворяющих условиям декомпозиции их излучающих поверхностей.
Разработка методики оценки устойчивости микроволновых антенн к внешним электромагнитным воздействиям по их характеристикам направленности с учетом бокового излучения и чувствительности приемника радиотехнической системы.
Разработка методов оптимизации конструкций микроволновых антенн с учетом внешних воздействий.
6. Подтверждение эффективности разработанных моделей и ме
тодик проектирования микроволновых антенн по результатам реше
ния практических задач.
Методы исследования. В работе использовались положения линейной теории упругости и теплообмена, теории вероятностей и математической статистики, теории электромагнитных волн, методы оптимизации, положения векторного и функционального анализа, метод конечных элементов, аппарат предикатной алгебры выбора.
Научная новизна работы.
1. Развиты теоретические и методологические основы математического моделирования влияния внешних воздействий на микроволновые антенны. Формализована задача оценки влияния внешних воздействий на функциональные характеристики антенн при их проектировании.
Получена обобщенная конечно-элементная электродинамическая модель микроволновой антенны, позволяющая учитывать влияние климатических воздействий на температурное поле и напряженно-деформированное состояние конструкции и устанавливающая взаимосвязь геометрических характеристик антенны с характеристиками ее излучения.
Разработан метод моделирования, основанный на декомпозиции излучающей поверхности антенны и замене интегрального оператора, преобразующего амплитудно-фазовое распределение источников возбуждения антенны в поле излучения дальней зоны, совокупностью компонент.
Предложен способ декомпозиции криволинейной излучающей поверхности с учетом фазовых ошибок источников возбуждения, использующий равномерное разбиение годографов ее сечений и удовлетворяющий требованиям конечно-элементного представления.
Проведено моделирование, позволяющее определить нестационарное температурное поле микроволновой антенны с криволинейной излучающей поверхностью при климатических воздействиях, и дана оценка искажений излучающей поверхности по составляющим температурных отклонений в сечениях антенны.
Получены выражения для оценки электромагнитной помехозащищенности микроволновых антенн, отличающиеся от известных тем, что позволяют учесть уровень боковых лепестков диаграммы направленности и чувствительность приемника радиотехнической системы.
Предложен обобщенный критерий оптимальности антенн с диаграммой направленности специальной формы, основанный на комплексном показателе качества. Разработан метод обеспечения заданного уровня электромагнитной помехозащищенности антенн.
Показан способ управления эксплуатационными характеристиками микроволновых антенн на основе результатов априорного анализа влияния внешних дестабилизирующих воздействий.
Обоснован метод оптимизации антенны по ширине и уровню боковых лепестков диаграммы направленности, определяемым значениями аргумента функции, описывающей ее сечение, в точках перегиба.
Практическая ценность. Использование теоретических и практических результатов, полученных в диссертации, позволяет сократить затраты на проектирование и улучшить характеристики микроволновых антенн.
Разработанные математические модели могут быть использованы при производственном контроле точности изготовления отражающих зеркал параболических антенн по отклонению уровня бокового излучения антенны от расчетного значения.
По результатам исследований даны рекомендации по оптимизации конструкций микроволновых антенн двухпозиционных радиолучевых систем обнаружения "Протва", "Гарус", "РЛД-94".
Реализация и внедрение результатов. Исследования проводились на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета в рамках госбюджетных и хоздоговорных тематик.
Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении 3 хоздоговорных тем, 2 грантов и ряда работ на передачу документации по договорам о творческом сотрудничестве. Работы велись в течение 1981-2004 гг. с предприятиями и организациями: г. Москвы (Грант МО РФ); г. Ленинграда (В-2749); г. Санкт-Петербурга (Грант МО РФ, УНПЦ "Конкурсного НИЦ приборостроения" ГААП); г. Пензы (ОАО "НПП "Рубин"); г. Заречного Пензенской обл. (ДГУП НИКИРЭТ ФГУП "СНПО "Элерон").
Результаты диссертационной работы в виде математических моделей и методов моделирования, рекомендаций по оптимизации конструкций внедрены на предприятиях России при проектировании и изготовлении микроволновых антенн и радиоэлектронных средств различного назначения: в ДГУП НИКИРЭТ ФГУП "СНПО "Элерон" (г. Заречный Пензенской обл.) в ОКР (шифр "РЛД-СМГ") и НИР (шифр "Сфера"); в ФГУП "ПКБМ" (г. Пенза) в ОКР (шифр "Урочище"); в ОАО "Радиозавод" (г. Пенза) при разработке и опытном производстве изделий; в ОАО "НПП "Рубин" (г. Пенза) в НИР №706 "Уровень-88".
Разработанные в диссертации модели и алгоритмы используются в учебном процессе кафедры "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Пензенского государственного университета при
подготовке студентов специальностей 200800- "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" и 201500- "Бытовая радиоэлектронная аппаратура" по дисциплинам "Проектирование устройств СВЧ" и "Устройства СВЧ и антенны".
На защиту выносятся следующие положения:
Обобщенная конечно-элементная электродинамическая модель микроволновой антенны, позволяющая учитывать влияние климатических воздействий на температурное поле и напряженно-деформированное состояние конструкции и устанавливающая взаимосвязь геометрических характеристик антенны с характеристиками ее излучения.
Метод моделирования, удовлетворяющий условиям декомпозиции излучающей поверхности антенны, повышающий точность ее аппроксимации и позволяющий решить задачу синтеза микроволновой антенны.
Способ определения нестационарного температурного поля микроволновой антенны с криволинейной излучающей поверхностью при климатических воздействиях, позволяющий оценить искажения излучающей поверхности по составляющим температурных отклонений в сечениях антенны.
Методика оценки электромагнитной помехозащищенности микроволновой антенны по предложенной модели диаграммы направленности, позволяющая учесть уровень боковых лепестков и чувствительность приемника радиотехнической системы.
Метод оптимизации микроволновых антенн с диаграммой направленности специальной формы по комплексному показателю качества.
Способ управления эксплуатационными характеристиками микроволновых антенн, основанный на результатах априорного анализа влияния внешних дестабилизирующих воздействий.
Методики: разбиения криволинейной излучающей поверхности по годографам ее сечений; оценки температурных искажений излучающей поверхности антенны по составляющим отклонений в сечениях; оценки параметров диаграммы направленности антенны по аргументу функции, описывающей ее сечение, в точке перегиба.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на 29 международных, всесоюзных, всероссийских, республиканских, зональных научно-технических конференциях и семинарах, посвященных актуальным проблемам повышения надежности и качества РЭС и их компонентов. Среди них: Республиканская научно-техническая конференция (НТК) ОКБ-МЭИ (Москва, 1979), XXXV областная НТК по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи (Ленинград, 1980), Международная НТК "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1992, 1993, 1995; г. Саратов, 1994), Международная НТК "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1996-1998), Всероссийская с международным участием НТК "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 1998, 2001), Международный симпозиум "Надежность и качество" (г. Пенза, 1999-2003); Третья Всероссийская научно-практическая конференция "Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом" (г. Заречный Пензенской обл., 2000); Третья Всероссийская научно-практическая конференция (с участием стран СНГ) "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (г. Ульяновск, 2001); Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция "Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов" (г. Заречный Пензенской обл., 2002); Международный юбилейный симпозиум "Актуальные проблемы науки и образования" (г. Пенза, 2003). Всего по тематике диссертационных исследований сделано более 40 научных сообщений и докладов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 59 научных трудах, включая 2 монографии, учебное пособие, 41 статью (из них 12 в журналах, рекомендованных для опубликования основных научных результатов докторских диссертаций), 15 материалов и тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы (178 наименований) и приложения. Объем работы: 329 страниц основного
машинописного текста, включающего 122 рисунка и 2 таблицы, приложения на 8 страницах.
Автор признателен коллективу кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета за оказанную поддержку при проведении исследований в области моделирования влияния внешних воздействий в задачах проектирования микроволновых антенн и выражает благодарность д.т.н.. профессору Юркову Н. К. за консультирование при работе над шестой главой диссертации.
Возможности использования приближенных аналитических методов синтеза антенн
Микроволновую антенну можно рассматривать как радиоэлектронное устройство, работающее в составе радиотехнической системы. Сложность решаемой задачи приводит к необходимости разработки для проектирования численных методов. Таким образом, в настоящее время в значительной мере следует говорить о проектировании микроволновых антенн с использованием методов моделирования.
Типичная схема процесса машинного (компьютерного) проектирования [28, 103] приведена на рисунке 1.1.1. В соответствии с этой схемой, исходными данными для разработки являются технические требования. Используя различные методы синтеза и исходные данные, можно определить первоначальную конфигурацию устройства. Характеристики, соответствующие этой первоначальной конфигурации устройства, рассчитываются с помощью пакета средств анализа. Для анализа необходимы модели различных компонентов. Они вызываются из библиотеки подпрограмм. Характеристики устройства, полученные в результате анализа, сравниваются с заданными техническими требованиями. Если полученные результаты не соответствуют заданным требованиям, то параметры устройства изменяются по определенной системе. Это является основным шагом оптимизации. Оптимизация включает в себя анализ чувствительности характеристик устройства к изменению его параметров. Последовательность операций, включающих анализ устройства, сравнение его характеристик с заданными и изменение параметров, выполняется повторно до тех пор, пока не будут удовлетворены технические требования. Затем изготавливается макет и проводится его экспериментальное исследование.
Таким образом, в процессе проектирования микроволновой антенны можно выделить три наиболее важных этапа: моделирование, анализ и оптимизацию. Исходя из технических требований к антенне, обусловленных ее функциональным назначением в составе радиотехнической системы, при проектировании на первом этапе рассматривается математическая модель, устанавливающая связь между ДН антенны и амплитудно-фазовым распределением источников возбуждения. Построение такой модели — решение математической задачи синтеза антенны (внешняя задача). Вторым этапом в проектировании антенны можно назвать нахождение конструкторского решения (физической модели) антенны (размеров, формы и т. п.), реализующего результаты решения математической задачи синтеза (внутренняя задача). Третьим и четвертым этапами проектирования будут анализ чувствительности характеристик антенны к изменению ее параметров и изменение отдельных параметров антенны для достижения характеристик, оптимальных по какому-либо критерию.
Первый этап проектирования требует формализовать задачу. Рассмотрим постановку математической задачи синтеза антенны на примере тонкой прямолинейной антенны. Пусть в такой антенне длиной / (рисунок 1.1.2), ориентированной вдоль оси х, течет токВ задаче синтеза антенны заданной является функция F( p), описывающая ДН, а искомым — распределение тока I(x), поэтому выражение (1.1.3) представляет собой интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода. Ядро такого уравнения гладкое, поэтому все проблемы, связанные с не-корректностью решения уравнения (1.1.3), проявляются в полной мере. Некорректность поставленной задачи заставляет в явной или неявной форме применять регуляризацию при ее решении. Кроме того, при решении математической задачи синтеза антенны допускают некоторые упрощения. Так, отвлекаясь от конкретных деталей, излучающую систему заменяют эффективной излучающей поверхностью — раскрывом [60], через который в дальнюю зону уходит основной поток мощности. Раскрыв становится эквивалентом антенны при изучении ее характеристик излучения. Он имеет ограниченные размеры, а поле вне его можно считать равным нулю.
Разработкой теории синтеза антенн занималось большое число авторов. К настоящему времени по синтезу антенн имеется много статей в отечественной и иностранной литературе, монографий [7, 37, 38, 47, 56, 60, 73, 79], в которых рассмотрены и решены самые различные задачи. Если классифицировать задачи синтеза антенн, то они могут быть сведены к следующим [2,13]: — в задачах первого класса по ДН антенны, описываемой комплексной функцией, находят амплитудно-фазовое распределение тока (или поля) в излучающей системе; — в задачах второго класса амплитудно-фазовое распределение тока (или поля) находится по амплитудной ДН, определяемой модулем ее комплексного описания; — в задачах третьего класса, иногда называемых смешанными, задаются требования к амплитудной или фазовой ДН и известно амплитудное или фазовое распределение тока (или поля) в антенне, нужно определить неизвестную характеристику распределения; — в задачах четвертого класса обычно выделяется два этапа: сначала из тех или иных соображений выбирается геометрия антенны и для нее решается задача одного из перечисленных выше трех классов, а затем проводится оптимизация геометрических размеров излучающей системы. Задачи первого класса описываются линейными интегральными уравнениями Фредгольма первого рода, а второго и третьего класса — нелинейными интегральными уравнениями.
Электродинамическая постановка задачи об излучении антенны со сложной пространственной конфигурацией
В реальных условиях эксплуатации зеркальных антенн симметричное изменение формы зеркала в первом приближении снова приводит к параболе [47, 175], но с измененным фокусным расстоянием, что аналогично смещению облучателя в осевом направлении и вызывает приблизительно квадратичные фазовые погрешности в апертуре. При смещении центра излучения, который считается точечным, из фокуса возникают в зависимости от рода смещения линейные, квадратичные или фазовые погрешности более высокого порядка. Смещение облучателя перпендикулярно оси параболы приводит к линейной, а при значительном смещении — к кубической фазовой погрешности, смещение же вдоль оси — в первом приближении к квадратичной фазовой погрешности.
Систематические погрешности зеркальной параболической антенны, связанные с монотонными искажениями формы зеркала и искажениями при неправильном монтаже облучателя относительно отражателя в определенной степени поддаются компенсации и коррекции в процессе настройки [20, 94].
Случайные ошибки могут быть различными для отдельных экземпляров антенн, несмотря на их одинаковую конструкцию и методы изготовления. Считается, что учесть их заранее невозможно, а их влияние можно оценить только статистическими методами, позволяющими находить средние (для данного семейства антенн) характеристики направленности или среднее значение некоторых параметров (например, КНД). Изучение влияния различных случайных факторов, ограничивающих потенциальные возможности антенн, является предметом исследования статистической теории антенн.
Обобщенные результаты статистической теории зеркальных антенн сводятся к следующим важным для практики положениям [20, 29, 46, 100]. Неточности изготовления поверхности зеркала приводят к нарушению синфазности поля в раскрыве и к ошибкам в амплитудном распределении.
Влияние случайных ошибок в амплитудном распределении существенно меньше влияния случайных фазовых ошибок, поэтому амплитудными ошибками можно пренебречь [29]. Случайные фазовые погрешности в апертуре зеркальной антенны способны только ухудшить ее физические характеристики по сравнению с расчетными [20]. Появляющиеся при этом поля рассеяния уменьшают усиление антенны в направлении оси главного лепестка. За счет перераспределения мощности между главным лепестком и боковыми появляется дополнительный фон, и как результат этого растет уровень бокового излучения и ширина лепестка. Изменения в ДН зеркальной антенны в связи с большим числом случайно ориентированных по своему максимальному направлению излучения элементарных полей рассеяния оказываются практически симметричными, т.е. направление главного излучения антенны остается неизменным. Фактически получающиеся характеристики зеркальной антенны связаны со случайной производственной погрешностью ее профиля через среднеквадратическое отклонение фазы в раскрыве. Неточности изготовления отражающего зеркала антенны можно характеризовать [7, 29, 46, 73, 94] двумя параметрами — техническим допуском на изготовление зеркала и радиусом корреляции отклонений его поверхности.
Под допуском Артах на изготовление зеркала понимают такое отклонение поверхности зеркала от расчетного значения, которое с вероятностью 0,99 не превышает заданное максимальное отклонение [29, 73]. Величина Лр определяется технологическими возможностями изготовления зеркала. Эти возможности характеризуются реализуемой величиной относительного допуска Ap /D , где 1 — диаметр зеркала, или величиной «, связанной с относительным допуском соотношением Apmaji/D3 =10"". При серийном производстве зеркал наиболее вероятной можно считать величину п = 3 . Для получения и 4 необходимы: более совершенная технология производства, зачастую сопровождаемая специальной подгонкой формы поверхности, применение специальных материалов с малым коэффициентом температурного расширения, разработка более жестких конструкций антенн. В результате удается добиться и = 4... 5. Радиус (интервал) корреляции гк характеризует среднюю величину участка зеркала, на котором реальная поверхность откланяется от расчетной [46]. Можно считать, что отклонения поверхности зеркала от расчетной в двух точках, разнесенных на величину, превышающую rK, практически независимы. Величина гк зависит от технологии изготовления зеркала и может принимать различные значения. Неточность изготовления поверхности зеркала, как правило, имеет радиус корреляции гк изг « D3, который обычно имеет величину, равную несколько длин волн [29]. Однако при современном состоянии технологии изготовления зеркал достигается радиус корреляции гкизг =А [46] и даже меньше, например, гкизг «0,35А, [7].
Кроме отклонений, вызванных производственными погрешностями, имеются еще так называемые эксплуатационные искажения: весовые, ветровые и тепловые. Радиус корреляции таких эксплуатационных искажений сравним с линейными размерами зеркала, т.е. гк Э1ССЕЛ »)3 [94].
Эксплуатационные искажения и неточности изготовления существуют одновременно. Поэтому необходимо рассматривать их совместное воздействие. При малых ошибках они просто суммируются [29].
Эксплуатационные искажения подобно неточностям изготовления влияют на характеристики излучения антенны и ограничивают предельно достижимую величину ее КНД. Поэтому стремятся уменьшить влияние этих воздействий и, в связи с этим, большое внимание уделяют защите антенн систем связи СВЧ диапазона от внешних воздействий [109]. Условия эксплуатации антенных устройств СВЧ диапазона накладывают на них ряд специфических требований, заключающихся в обеспечении высокой механической прочности и низкого аэродинамического сопротивления конструкции, позволяющего выдерживать значительные ветровые нагрузки. Кроме того, зачастую выдвигаются требования по стабильности энергетических и излучающих характеристик при климатических воздействиях. Аналогичные требования могут быть предъявлены и к антеннам радиолучевых средств обнаружения, также работающим в СВЧ диапазоне в непосредственном соприкосновении с окружающей средой [110].
Особенности формирования характеристик направленности антенн для прямоотсчетного моноимпульсного измерения углового положения объектов
Более эффективно сочетание аналитического и численного методов при исследовании возможностей синтеза квазисекторной ДН. При этом, если использовать математическое описание распределения амплитуд источников возбуждения /Су) согласно (3.2.1) и рассчитывать квазисекторную ДН по преобразованию Фурье с использованием численного интегрирования, появляется возможность изменения УПУ при заданном а0 введением дополнительного коэффициента амплитуды Ап на интервале у , соответствующем противофазным участкам f(y).
Расчеты, проведенные по такой модели, показали, что при изменении УПУ, при фиксированном значении х0, можно значительно уменьшить пульсации вершины квазисекторной ДН. Так при а0= 1,88 и УПУ равном минус 19,5 дБ достигается УБЛ квазисекторной ДН минус 41,5 дБ (рисунок 3.2.10, кривая 2) при уровне пульсаций вершины главного лепестка равном 0,26 дБ (рисунок 3.2Л0, кривая 3) и крутизне ее скатов — 6,15 дБ/градус. Уменьшение пульсаций до ОД дБ требует в рамках математической модели, полученной по методу парциальных диаграмм (см. рисунок 3.23, кривая 4), увеличения а0 до 2,1. При этом УБЛ возрастает до минус 33 дБ, крутизна уменьшается до 6 дБ/градус, а ширина ДН на уровне половинной мощности увеличивается в 1Д4 раза. При использовании же новой комбинированной математической модели, сочетающей аналитический и численный методы, уменьшение пульсаций до 0,1 дБ достигается при сохранении а0- 1,88, уменьшении УПУ на 1,5 дБ и сопровождается минимальным отклонениями параметров ДН: возрастанием УБЛ до минус 40,4 дБ, уменьшением крутизны скатов до 6,05 дБ/градус и ширины ДН на уровне половинной мощности в 1,02 раза.
Таким образом, эффективность модели, полученной сочетанием аналитического и численного методов, очевидна. При этом появляется возможность минимизации пульсаций квазисекторной ДН при сохранении габаритных размеров антенны и при малых величинах УБЛ. Использование такой математической модели при проектировании антенны в значительной мере решает и проблему ее оптимизации.
В отличие от ДН специальной формы, наиболее распространенные ДН "игольчатого" типа широко освещены в литературе по антенной технике. Обычно приводятся формулы, описывающие ДН и соответствующие им распределения поля для фиксированных значений уровня боковых лепестков ДН. Эти соотношения, как правило, сведены в таблицы. Однако точно сформировать ДН с требуемым уровнем боковых лепестков они позволяют не всегда, так как ориентируются на целые показатели степени, обеспечивающие лишь дискретные значения УБЛ. Введение же дробных показателей в эти формулы и использование для расчета численных методов позволяет устранить этот недостаток и провести исследования взаимосвязей параметров амплитудно-фазных распределений источников возбуждения и соответствующих ДН антенн.
Результаты исследования амплитудно-фазовых распределений источников возбуждения антенны, обеспечивающих формирование заданных ДН, позволяет использовать эту информацию, как априорную при оптимизации реальной конструкции микроволновой антенны с заданным уровнем электромагнитной помехозащищенности.
При проектировании антенн для моноимпульсных радиолокационных систем (РЛС) особое внимание уделяется их угломерной чувствительности и помехозащищенности. Обычно стремятся добиться максимальных значений этих параметров при минимальных габаритных размерах антенны. Особенностью проектирования антенн для моноимпульсных РЛС, работающих в режиме обзора, является необходимость обеспечения высокой угломерной чувствительности в более широком интервале углов относительно оси излучения антенны, чем у антенн РЛС слежения.
При амплитудном суммарно-разностном методе измерения углового положения воздушных объектов в режиме обзора угловая координата цели (например, самолета) определяется под произвольным углом относительно равносигнального направления двухканальнои антенны. При этом уровень суммарной ДН антенны отличен от ее уровня вдоль равносигнальнои оси, а разностная ДН не линейна.
Угол смещения максимума парциальной ДН каждого из каналов антенны относительно ее оси в значительной мере влияет на угломерную чувствительность такой моноимпульсной системы. Если для режима слежения [11, 48] оптимальным оказывается отклонение парциальной ДН на половину ее ширины на уровне минус 3 дБ, то в режиме обзора [103, 133, 140] требуется значительно большее отклонение парциальных ДН, что обеспечивает более широкую рабочую зону моноимпульсной системы с высокой угломерной чувствительностью.
Наиболее полно вопросы угломерной чувствительности рассмотрены в работе [11] для антенн с равномерными и гауссовыми амплитудными распределениями источников возбуждения антенны для режима слежения. Однако равномерное распределение формирует ДН с большим УБЛ, что снижает помехозащищенность системы. Гауссово распределение удобно для математических расчетов, но не всегда позволяет оценить возможности реальных антенн.
Провести исследование влияния различных видов амплитудного распределения на угломерную чувствительность амплитудной моноимпульсной суммарно-разностной системы в режиме обзора можно, используя для формирования ДН амплитудные распределения косинусного вида степени п [6, 47].
Формирование дискретной механической модели отражателя по электродинамической модели излучающей поверхности антенны
Для оценки геометрических отклонений, возникающих при тепловых воздействиях на отражатель непрерывная среда области П в сечениях, параллельных главным сечениям xOz и yOz заменяется дискретной структурой из стержней, выполненных из того же материала и соединяющих все узловые точки между собой.
Изменение температуры Т элементов в рассматриваемых сечениях в соответствии с матрицами Теу и Т приводит к линейному изменению размеров стержней модели, изменению пространственного положения узловых точек излучающей поверхности, а, следовательно, к искажению границы дО, области 1, изменению распределения источников возбуждения и соответствующей ДН антенны.
Расчеты тепловых воздействий на криволинейную излучающую поверхность антенны показали, что влияние температурного поля существенно и его необходимо учитывать в расчете характеристик излучения. Выбор материала отражающего зеркала антенны позволяет уменьшить влияние теплового поля и является важным фактором в поисках оптимальной конструкции антенны.
В рассматриваемой тепловой модели основным источником теплоты является Солнце. Зеркальная параболическая антенна, важнейшими узлами которой являются: облучатель, отражающее параболическое зеркало (отражатель), несущая ферма и различные элементы крепления, заменяется в тепловой модели одним лишь отражающим зеркалом, наиболее существенно подвергающимся тепловым воздействиям.
Особенности лучистого теплообмена тела с окружающей средой с учетом солнечного излучения заключается в следующем [32]. Коэффициент поглощения поверхности зависит от спектра падающего на нее излучения. Так как примерно половина излучаемой Солнцем энергии приходится на видимую область спектра, поглощательная способность тел для такого излучения существенно отличается от более длинноволнового. Данные о поглощении солнечного излучения различными материалами хорошо изучены, табулированы и приведены, например, в литературе [32, 33]. Следует также учитывать, что плотность потока прямого солнечного излучения у земной поверхности qsn меньше солнечной постоянной #„,=1325 Вт/м [25] и зависит от степени прозрачности атмосферы. Например, в Москве в полдень в разные времена года qsn изменяется от 560 до 860 Вт/ м [33]. Кроме того, плотность потока солнечного излучения qs±, падающего по нормали к горизонтальной поверхности Земли, зависит от угловой высоты \ys Солнца над горизонтом: qsl = qm sin V/s. Таким образом, при оценке теплового потока солнечного излучения qs, падающего по нормали nik к элементу разбиения поверхности (см. рисунок 5.1.1), следует учитывать время года и дня, а также ориентацию поверхности тела в пространстве.
Таким образом, для определения температурного поля микроволновой антенны необходимо решить нестационарную задачу— определить закон изменения температурного поля во времени. При этом следует также учитывать процесс аккумулирования теплоты во времени и определять температурное поле в установившемся режиме, т. е. когда изменение температуры тела в некоторый промежуток времени равно нулю или не превышает заданной малой величины.
При аналитическом решении конкретных задач, возникающих в процессе конструирования и эксплуатации антенн, прежде всего, необходимо составить правильные физическую и математическую модели исследуемого объекта или процесса, которые достаточно полно учитывают задачи исследования, характер внешних воздействий. Дальнейшее исследование сводится к решению математической задачи.
Решение задачи осложняется при учете второстепенных явлений, относящихся к внешним воздействиям, и побочных явлений, возникающих одновременно с тепловым излучением. Поэтому при аналитическом исследовании антенн по возможности следует упрощать физическую и математическую модели тепловых процессов в конструкции антенны, т. е. целесообразно составлять для реальной системы некоторую рационально выбранную схему, пригодную для решения поставленных вопросов с заданной степенью точности, Таким образом, при исследовании процессов, возникающих в антеннах при тепловых воздействиях, неизбежен переход от реальных систем и процессов к абстрактным моделям.
Решение нестационарной задачи — определение закона изменения температурного поля микроволновой антенны во времени может быть сведено к описанию аккумулирования теплоты в плоских треугольных гранях многогранной модели отражающего зеркала антенны. При этом появляется возможность моделирования процессов теплообмена для каждой грани модели.
При такой постановке, для решения нестационарной задачи можно воспользоваться операционным методом, который имеет большие преимущества по сравнению с классическим методом разделения переменных при условии равномерного начального распределения в том смысле, что позволяет сделать конкретный расчет быстро и с достаточной степенью точности [49].
