Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время на мировом рынке антенн отмечается усиление внимания специалистов к проблемам, связанным с созданием антенн для спутниковой связи, миниатюризацией наземных антенных систем, использованием компьютеров для обработки данных, использованием систем для автоматического слежения. Особое значение имеет введение строгого контроля за соответствием качественных характеристик новых технологических разработок стоимости изделий. В связи с этим разработчики антенной техники и специалисты в области радиосвязи проявляют значительный интерес к проблемам создания многолучевых антенных решеток (MAP), обладающих высокими рабочими характеристиками и предельно малыми размерами. MAP могут быть успешно использованы в системах космической связи и спутникового телевидения, в системах связи на движущихся объектах (самолеты автомобили, суда) и т.д.
Предъявляемым требованиям наиболее оптимально удовлетворяют MAP, использующие в своей основе диаграммообразую-щие устройства (ДОУ), относящиеся к классу многолучевых СВЧ линз с принудительным преломлением (линзы Ротмана, Рузе, Р-КР и др.). Наиболее интересными являются многолучевые антенные решетки, использующие в своей основе волноводные и микрополос-ковые разновидности радиочастотной линзы, предложенной Ратманом. Такие устройства позволяют достаточно просто создать практически реализуемые конструкции антенн с двумерной многолучевой диаграммой направленности, имеющие оптимальные характеристики в широком секторе углов сканирования и требуемой рабочей полосе частот.
Простейший вариант линзы Ротмана - плоскопараллельная линза - представляет собой плоский объем, на поверхности которого размещены входные и выходные излучатели. Излучение от первичных облучателей, расположенных на фокальной дуге (рис.1), распространяется между параллельными пластинами к выходным облучателям, образующим задний контур линзы Б . Эти выходные излучатели принимают энергию из области параллельных пластин и направляют ее в коаксиальные (или полосковые) элементы линзы, от которых, в свою очередь, возбуждается линейная антенная решетка. В ДОУ Ротмана внешняя поверхность линзы- плоскость. В других СВЧ линзах, позволяющих, в частности, осуществлять ши-
рокоугольное сканирование луча, вплоть до 360 , выходная поверхность может иметь произвольную форму.
Рис. 1. Плоскопараллельная линза Ротмана
і- входные рупоры,
-
радиочастотные кабели,
-
антенная решетка.
Основополагающие работы по созданию теории ДОУ были созданы в 50-60-е годы. В основу ее положены методы геометрической оптики (лучевая модель), позволяющие приближенно определить фазовое распределение на выходе линз. Строгие методы расчета амплитудного распределения поля на выходе ДОУ, в особенности для микронолосковой технологии, отсутствуют, поэтому неотъемлемой частью исследования и проектирования таких линз до настоящего времени является экспериментальная отработка. В этой связи разработка строгих электродинамических методов анализа характеристик ДОУ является актуальной задачей.
В современных радиотехнических комплексах число независимых лучей MAP может достигать нескольких десятков. Поэтому при описании характеристик устройства целесообразно использовать матричную теорию. В известной литературе отсутствует решение задачи по определению характеристик ДОУ на уровне построения матрицы рассеяния ДОУ.
Построение матрицы рассеяния многополюсника СВЧ, моделирующего ДОУ, является качественно новой задачей современ-
ной техники СВЧ, т.к. требует для своего решения использования методов геометрической оптики при рассмотрении общей структуры устройства и строгих электродинамических методов для расчета характеристик отдельных элементов. Именно с такой точки зрения должно рассматриваться решение ключевых электродинамических задач по расчету матрицы рассеяния СВЧ линз с принудительным преломлением, составляющих основу параметрического синтеза ДОУ.
Целью работы является разработка строгих электродинамических методов анализа диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением и решение задач их параметрического синтеза.
Общая концепция диссертационной работы заключается в создании эффективного электродинамического метода анализа и параметрического синтеза ДОУ на основе СВЧ линз с вынужденным преломлением, решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и создание основ их автоматизированного проектирования.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:
-
Разработаны эффективные электродинамические методы исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением.
-
Решены основные задачи параметрического синтеза ДОУ, включающие в себя:
определение и оптимизацию внешних характеристик возбуждающих устройств;
определение характеристик излучения возбуждающих устройств;
определение матрицы рассеяния ДОУ и MAP с учетом переотражения электромагнитных волн;
инженерную методику расчета геометрического профиля линзы и параметров возбуждающих устройств, позволяющих реализовать требуемое амплитудно-фазовое распределение при допустимых значениях Каи в заданной полосе частот и минимально возможных размерах.
3. Разработан комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.
^ТТешетга—задача—оіфеделеішя_^аг^актерисгак волнободно-
микрополосковых переходов (ВМП)сучетом~штапщя~~апертурьі
раскрыва МШІ. Разработан метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе..
Отличительная особенность предложенного метода расчета
ДПУ ^уц-згціпга-гщііі (уЧ'рцнчмц^у^-цдтг^П-ННМИ, АЛЧ^ТСЯ ПОЛНОТЭ
и содержательность подхода, включающие в себя ряд принципиально новых моментов, связанных прежде всего с учетом внешних характеристик входных и выходных элементов, а также амплитудно-фазовых характеристик излучателей.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту;
-
Методика исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением. Методика реализации параметрического синтеза ДОУ. Определяющая роль внешних характеристик элементов при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства. Комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.
-
Установленные в результате анализа электродинамических характеристик излучателей ДОУ физические закономерности, связанные с зависимостью положения их фазовых центров и значений коэффициентов отражения от частоты.
-
Методика и комплекс программ определения характеристик ВМП в приближении заданного тока с учетом влияния диэлектрической подложки и апертуры раскрыва МГШ. Метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.
-
Установлешше закойомерности зависимости характеристик ВМП от характера расположения апертуры раскрыва.
Практическая значимость:
В работе получено решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и заложены основы их автоматизиро-
ванного проектирования. Разработанные методы и комплексы программ представляют в настояшее время единственную возможность для конструирования микрополосковых ДОУ с оптимальными характеристиками, минуя дорогостоящую и длительную экспериментальную отработку. Использование полученных результатов позволяет создать систему автоматизированного проектирования широкополосных ДОУ линзового типа, обеспечивающую выполнение заказов на проектирование за несколько дней.
Разработанные программы были предназначены для использования в системах автоматизированного проектирования СВЧ элементов и узлов, созданных во ВНИИ «Градиент» и инженерном центре «Электродинамика» (г. Москва).
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
-
на областной научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, г. Ростов-на-Дону, 1991 г.;
-
на 1-ой Международной студенческой конференции «Физика и прогресс», г. Санкт-Петербург, 1992 г.;
-
на научно-техническом семинаре «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях. Элементная база технологических установок», г. Саратов, 1992 г.;
-
на XXVII научно-технической конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1994 г.
-
на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;
-
на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 1996 г.;
7) на VI Международной Научно-технической Конференции
«Mathematical Methods in Electromagnetic Theory», г.Львов,
Украина, 1996 г.;
-
на Международном симпозиуме «On Applied Electrotnagnetism», Греция, 1996 г.;
-
на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1996 г.
Публикации, Основные материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем - 200 страниц. Работа содержит 35 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 74 названий на 7 страницах.
