Введение к работе
Актуальность тема. В связи с освоением миллиметрового ( Ш ) я субммлгогетрового (СУЕЫЫ) диапазонов радиоволн в интересах создания радиотехнических систем (РТС) связи, навигации, радиолокация, радиофизического дистанционного зондирования и др. вахньш этапом является исследование и разработка сверхвысокочастотной (СВЧ) элементной базы, в частности компонентов антенно-фидерного тракта [IJ, поскольку его создание в значительной мере определяет возможности РГС ММ диапазона и является, как правило, наиболее дорогостоящий и габаритным устройством системы в целом.
В настоящее время в сантиметровом и миллиметровом диапазонах используются зеркальные антенны на основе параболического рефлектора. Несмотря на хорошо изученные свойства подобной антенны [2], ее существенным недостатком является трудность осуществления широкоугольного сканирования антенным лучом при неподвижном зеркале, что значительно ограничивает возможности РТС. К тому же с укорочением длины волны характеристики параболических антенн значительно ухудшаются в связи с повышением требований к точности изготовления заданного профиля.
Поэтому в настоящее время актуальна исследования, связанные с изучением возможностей сферического рефлектора (СР), в особенности в коротковолновой части СВЧ диапазона радиоволн.
Необходимо отметить, что широкому использование СР при создании осгронаправленных зеркальных антенн препятствует явление сферической аберрации, в результате чего в раскрыто СР возникает фазовая ошибка, величина которой может достигать очень больших значений. Подобная несияфазность волнового фронта в апертуре СР вызывает заметные искажения диаграммы направленности (Д1) и уменьшение козффициента (КУ) антенны.
К настоящему времени разработаны различные методы коррекции сферической аберрации, в том числе основанные на применении двух- или многэзеркалькнх схем построения антенн с зеркалами специальной формы /"3j, использовании линейных облучателей с коррекцией фазы в раскрыве [4J и др. Широко применяемые в длинноволновой части СЗЧ диапазона, указанные методы приводят к значительному усложнении я удорожанию .антенны за счет возрастания технологических трудностей при переходе в Ш и СУШМ диапазоны.
3 то же время одним из наиболее простых способов уменьшения влияния сферической аберрации является еынос облучателя из пара-
ксиального фокуса <=0,5R (R. - радиус кривизны зеркала), который основан на изменении характера фазовой ошибки при смещении облучателя вдоль оси СР. Однако отсутствие четкого критерия выбора оптимального положения облучателя ограничивает возможности СР и требует дополнительных исследований.
Почти не изученным является также вопрос о возможностях СР при вынесенной схеме облучения, хотя в этом случае значительно упрощается компоновка антенно-фидерного тракта, уменьшается реакция рефлектора на облучатель, а также улучшаются параметры антенны за счет устранения эффекта затенения рефлектора узлом облучения. К тому же особенности фазового распределения в раскрыве СР могут привести к нетрадиционным характеристикам излучения, свойственным только этому типу зеркала.
Мало исследованным остается вопрос о построении обтекателей в Ш диапазоне. В этом случае требование к механической прочности обтекателя приводят к необходимости выбора его толщины, соизмеримой с длиной рабочей волны, что может вызывать значительное . рассогласование антенны за счет взаимодействия волн, отраженных от внутренней и внешней поверхностей обтекателя, а также искажение ее Д1.
Наконец, необходимы также исследования в интересах создания таких элементов антенно-фидерных устройств (АФУ) Ш и СУБШ диапазонов, как облучатель, вращающееся сочленение волноводов, переключатель волноводных каналов и т.п. При этом основной задачей является поиск путей построения подобных устройств, которые обеспечивали бы хорошее согласование с волноведущим трактом в широкой полосе частот и были бы легко реализуемыми на практике.
Цель работы состоит в исследовании преобразования волновых пучков в открытых электродинамических системах применительно к квазиопгическим зеркальным антеннам на основе сферического рефлектора. При этом основное внимание уделено проблеме влияния сферической аберрации на характеристики излучения, которая существенно ограничивает возможности подобных зеркальных антенн.Кро-'; ме того, рассмотрены вопросы построения квазиоптических облучаїь щих систем, позволяющих расширить функциональные возможности антенных устройств миллиметрового диапазона радиоволн.
Объектом исследования является проблема уменьшения влияния сферической аберрации на характеристики сферической зеркальной антенны, поиск новых путей построения квазиоптических облучающих устройств и элементов антенно-фидёрного тракта миллиметро-
пого диапазона радиоволн.
Мотодя исследования базируется на пре::::уцэственноы использова-шш знсперяиенталького подхода совместно с прпблияэншы решением ансяіпк задач злеїтародинзіяки о раксах апертурного метода и привлечением тєорни оптических систем. При этом создан экспериментальный антенній полигон, реализуаззій иэтод замечания при прозз-донзи исслсдовская, что обеспечило требуеаув точность измерения характеристик излучения в цаляяигтровсм диапазоне радиоволн из только зорказьних антенн, ко и облучзгцих устройств для них.
Научная новязна выполненной работы заключается в следупцем:
-
Проведен шгеліз сізізетудно-фазового распределения поля в раскрнзе сферического рефаоетора при оевсиьистричноа и вынесенной гзоігетрия последнего в строкой диапазона углов облучения источником сферической волны.
-
Проведен сразш^телышй анализ поля излучения сферического рефлектора, полученного в результате приближенного рзазная на осново апертурной теории и строгого рєпзшш задача; показана рамки прикенгаюстн пркблигенного изтода.
-
Предлояен энергетические критерий оптимальности положения облучателя на оси сферического рефлектора, при котором наблюдается кяншдо! потерь коэффициента усиления.
-
Решена задача синтеза профчяя линзы, устанавливаемой в рас-гернве облучателя зеркальной антенны, для коррекции сферической аберрации.
-
Исследовано влияние электрически толстого слоя диэлектрика, распояодсниого вблизи рзскрнза апертурной антенны, на характер искажений ее структуры излучения.
Обоснованность к достоверность полученных результатов обеспечена тем, что в диссертационной работе применимость приближенных кзтодов расчетов подтверждена данннмя экспериментальных исследований. В свои очередь, достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением гостироБ&нкых методик измерений, использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры. При этом анализ точности проводимых измерений позволяет утверждать, что погрешность измерений во всех случаях значительно ыеньие измеряемых величин.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в следукцем: '
I. Использование предложенного энергетического критерия оптимизации положения облучателя на оси сферического рефлектора позволяет существенно улучшить направленность зеркальных антенн на
его основе.
-
Предложенная методика расчета профиля линзового корректора для устранения влияния сферической аберрации может быть использована при создании компактных широкоугольных сканирующих антенн на основе сферического рефлектора.
-
Результаты исследования особенностей характеристик излучения сферического рефлектора с вынесенным облучением могут служить основой при разработке антенн с несимметричной диаграммой направленности.
-
Проведенные исследования линзового корректора для моноимпульсного облучателя позволяют использовать малоразмерные раскрыты последнего при улучшенных его частотных свойствах.
0. Результаты исследований согласования раскрыва секториаль-
ного рупорного излучателя с помощью тонкого металлического шты
ря, установленного в его раскрыве, представляют интерес как для
разработчиков рупорных антенн, так и облучателей зеркальных ан
тенн.
б. Предложенная схема построения и проведенное исследование малогабаритного механического переключателя волноводных каналов и вращающегося сочленения волноводных каналов поляризационного типа миллиметрового диапазона радиоволн позволяет использовать их при разработке сканирующих зеркальных антенн, в том числе на основе сферического рефлектора..
Положения, выносимые на защиту;
-
Выбор расположения облучателя на оси сферического рефлектора по максимуму коэффициента усиления антенны позволяет значительно уменьшить влияние сферической аберрации на характеристики излучения рефлектора.
-
Применение корректирующей линзы в раскрыве облучателя позволяет практически полностью компенсировать фазовые искажения в зеркальных антеннах на основе сферического рефлектора.
3. Использование сферического рефлектора в зеркальных антен-
лх миллиметрового диапазона позволяет создавать антешю-фидер-
лке устройства для различных радиотехнических систем с высокими электрическими характеристиками при простой технологии изготовления.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах отделения электроники Института радиофизики и электроники АН Украины, доложены на П Всесоюзной лколе-симпозиуме по распространению миллиметровых и субмиллимет-
ровых волн в атмосфере (Фрунзе, 1986 г.), Ш Всесоюзной школе по распространении миллиметровых и субыиллиметровых волн в атмосфере (Харьков, 1989 г.). на тематическом заседании "Применение миллиметровых и субмиллиметровых волн в медицине, биологии и народном хозяйстве" Научного совета АН УССР по проблеме "Физика и техника милликетровых и субмиллиметрОБых электромагнитных волн"(Харьков, 1990 г.).
Публикация. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения и содержит 116 страниц основного машинописного текста, 77 рисунков на 63 страницах, 2 таблиця на 2 страницах, список цитированной литературы из 105 наименований на II страницах и 3 прикладные программы на 9 страницах. .
