Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в наземных станциях спутниковой связи широкое применение находят многодиапазонные антенные системы. В частности, в диапазонах S, С, X, Ки используются двухзеркальные антенные системы, в состав которых входит двух- или трехдиапазонное ангенно-волноводное устройство совмещенного приема сигналов. Конструктивно антенно-волноводное устройство состоит из единого для всех диапазонов облучателя, как правило, гофрированного конического рупора с оптимизированным профилем и устройства разделения сигналов.
При создании высокоэффективных приемных зеркальных антенн одной из центральных задач является разработка антенно-волноводного устройства, поскольку оно в значительной степени определяет энергетическую эффективность антенной системы в целом. Основными требованиями к электрическим характеристикам антенно-волноводньж устройств являются достижение возможно более низкого уровня потерь и заданного уровня развязки между выходами антенно-волноводного устройства.
Частотное разделение сигналов в совмещенньж антенно-волноводньж устройствах осуществляется с помощью диплексеров, реализованных на основе вол-новодньж фильтров нижних частот. Выбор подходящих конструкций фильтров нижних частот определяется исходя из общих требований к антенно-волноводным устройствам и предполагает минимальные потери в полосе пропускания и требуемый уровень заграждения в заданном диапазоне. На практике в диплексерах данного типа чаще всего применяются вафельные волноводные фильтры (т.е. фильтры на секциях многогребневьж волноводов). Они имеют широкие полосы пропускания с хорошим согласованием и малыми потерями и широкие полосы запирания с высоким затуханием без паразитньж полос пропускания для всех типов волн.
Разработка таких фильтров основывалась в основном на хорошо отработанных методах радиотехнического синтеза, которые сохраняют свою актуальность и сейчас. Вместе с тем, классические методы синтеза, основанные на теории цепей, не могут в полной мере раскрыть потенциал рассматриваемых структур, например, обеспечить оптимизацию согласования и потерь в полосе пропускания. В связи с этим несомненный интерес представляет разработка электродинамических моделей данного класса фильтров. Об этом свидетельствуют появившиеся
в последнее время примеры эдевггрода н^*да^Щ^^ШМ|Ш,1Міобньіх структур
БИБЛИОТЕКА і
методами конечньж элементов, конечньж разностей во временной области в сочетании с методом модового сшивания.
По структуре к фильтрам вафельного типа близки хорошо известные квазипла-нарные фильтры на продольных Е-плоскостных неперемыкающихся диафрагмах (т.е. на секциях Н-волноводов). Эти фильтры можно рассматривать как простейший частный случай фильтров на секциях многогребневых волноводов. Фильтры квазипланарного типа широко применяются в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
В современньж системах спутниковой связи и вещания широкое применение находят также зеркальные антенны с контурной диаграммой направленности (ЦН). Такие антенны входят в состав космического сегмента системы, который размещается на борту геостационарньж спутников. Характерная особенность антенн с контурной ДН заключается в том, что они должны обеспечить формирование одного или нескольких контурных лучей, форма поперечного сечения которых максимально приближена к форме зоны обслуживания.
Ключевым элементом антенн с контурной ДН является диаграммообразующее устройство (ДОУ), формирующее необходимое амплитудно-фазовое распределение на входах облучателя (малоэлементной решетки рупоров). Основным элементом в составе волноводньж ДОУ являются многоканальные делители мощности со связью в виде системы щелей (четвертьволновых шлейфов) в общих широких стенках волноводов. Для того чтобы обеспечить требуемую точность деления мощности (десятые доли децибела по амплитуде и единицы градусов по фазе) необходим строгий электродинамический анализ многоканальных волноводньж делителей мощности. Учитывая многопарамегричность задачи, на этапе численной оптимизации очень важно иметь высокоэффективный метод анализа.
Целью работы является:
разработка электродинамических методов расчета широкого класса волно
водньж фильтров на секциях многогребневьж волноводов;
разработка электродинамических методов расчета многоканальных волноводньж делителей мощности для антенн с контурной диаграммой направленности;
разработка на основе созданных программ анализа, эффективных процедур многопарамегрической оптимизации рассматриваемых классов фильтров и делителей мощности;
оптимизация характеристик фильтров нижних частот вафельного типа для многодиапазонньж ангенно-волноводньж устройств и многоканальных волноводньж делителей мощности для систем спутниковой связи.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и полученными результатами. В работе впервые:
методом Галеркина с учетом краевой особенности поля решена задача расчета критических частот и полей многогребневого волновода с произвольным количеством гребней;
исследованы спектры критических частот многогребневых волноводов с числом гребней до десяти;
методом Галеркина решена задача дифракции волн на сочленении прямоугольного и многогребневого волноводов;
предложен комбинированный электродинамический метод анализа волноводных фильтров на секциях многогребневых волноводов, основанный на методе Галеркина и методе обобщенных матриц рассеяния;
оптимизированы конструкции фильтров нижних частот вафельного типа для двух- и трехдиапазонных фидерных трактов зеркальных антенн;
методом Галеркина с учетом краевой особенности поля решены ключевые задачи рассеяния для многоканальных многошлейфных волноводных делителей мощности;
при вычислении S-матриц многоканальных волноводных делителей мощности применена эффективная рекомпозиционная процедура "поперечной сегментации";
оптимизированы четырех- и пятиканальные многошлейфные волноводные делители с несимметричным делением мощности.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Строгий метод расчета критических частот и полей широкого класса многогребневых волноводов с произвольным количеством гребней и различным типом симметрии. Предложенное решение является обобщением метода Галеркина с учетом краевой особенности поля на случай волноводной структуры сложного сечения с произвольным количеством гребней разного размера.
Комбинированный электродинамический метод анализа широкого класса воляоводных фильтров, включая фильтры на секциях многогребневых волноводов (фильтры вафельного типа), фильтры квазипланарного типа на секциях Н-волноводов и продольных Е-плоскостных диафрагмах. Предложенная теория основана на применении метода Галеркина с учетом краевой особенности поля и метода обобщенных матриц рассеяния и включает:
решение задачи на собственные значения для многогребневого волно
вода;
решение ключевых задач рассеяния для базовых неоднородностей
(сочленения прямоугольного и многогребневого волновода, сочлене
ния прямоугольных волноводов, разветвления прямоугольных волно
водов);
рекомпозицию многомодовых матриц рассеяния базовых неоднород
ностей, и вычисление матрицы рассеяния всей структуры.
Комбинированный метод анализа многоканальных многошлейфных вол-новодных делителей мощности для антенн с контурной диаграммой направленности, построенный на основе метода Галеркина с учетом краевой особенности поля и методе обобщенных матриц рассеяния.
Результаты анализа характеристик рассеяния секций многогребневых волноводов различной геометрии и установленные физические закономерности возникновения режимов полного прохождения и отражения, которые обеспечивают возможность выбора оптимальных конструкций фильтров вафельного типа.
Оптимизированные конструкции волноводных фильтров нижних частот вафельного типа для двух- и трехдиапазонных фидерных трактов наземных станций спутниковой связи и оптимизированные конструкции многоканальных многошлейфных волноводных делителей мощности.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов.
Решение всех рассмотренных в диссертации задач получено на основе строгих электродинамических методов. Достоверность результатов контролировалась путем проверки внутренней сходимости решения, путем сравнения с экспериментом для вафельньж фильтров, а также путем сравнения с известными из литературы теоретическими и экспериментальными результатами для волноводов сложньж сечений, различных типов волноводных фильтров и делителей мощности.
Практическая значимость работы определяется прежде всего разработанными пакетами программ электродинамического моделирования широкого класса волноводных фильтров и многоканальных волноводных делителей мощности. Данные пакеты в качестве ядра включают программы электродинамического анализа фильтров на секциях многогребневьж волноводов и многоканальных многошлейфных делителей мощности, а также эффективные программы их многопараметрической оптимизации.
Созданный программный комплекс бьш, в частности, применен для анализа и оптимизации волноводных фильтров нижних частот вафельного типа. Оптимизированные конструкции фильтров нижних частот предназначены для работы в диплексерах двух- и трехдиапазонных фидерных трактов зеркальных антенн в составе наземных станций спутниковой связи, работающих в диапазонах S, С, X, Ки. Отличительной особенностью предложенных конструкций фильтров нижних частот является предельно низкий уровень КСВ и вносимых потерь, что было достигнуто в результате многопараметрической оптимизации. Высокая точность результатов подтверждена имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.
Полученные в работе результаты и разработанные пакеты программ могут быть непосредственно использованы в научно-исследовательских организациях и на предприятиях, занятых разработкой и производством СВЧ компонентов и радиотехнических систем различного назначения. Разработанные программы расчета волноводных фильтров и делителей мощности включены в систему электродинамического моделирования СВЧ устройств Государственного научного учреждения "Научно-исследовательский институт "Специализированные вычислительные устройства защиты и автоматики" Минобразования России". Практическая значимость работы подтверждена актами внедрения.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались на:
международной научной конференции "Излучение и рассеяние электромагнитных волн"(ИРЭМВ-2003), Таганрог, июнь 2003 г.;
4th International Conference on Antenna Theory and Technique (ICATT'03), 9-12 September, 2003, Sevastopol, Ukraine;
Asia-Pacific Microwave Conference (APMC'03), 4-7 November, 2003, Seoul, Korea;
Всероссийской научно-технической конференции "Информационно-телекоммуникационные технологии", 19-26 сентября, 2004, г. Сочи.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 статьи в журналах и сборниках научньж трудов и 5 в сборниках трудов и тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Она содержит 146 страниц текста, 42 рисунка, 11 таблиц и список использованных источников, включающий 83 наименования.
