Введение к работе
Актуальность работы. Современные радиотехнические системы (РТС) достигли столь высокого уровня технических возможностей и функционального разнообразия, что трудно указать на такую область техники, в которой бы они не использовались. И тем не менее, стремительные темпы научно-технического прогресса свидетельствуют о том, что в ближайшее десятилетие на смену нынешним РТС придут новые перспективные системы, с помощью которых обеспеченность информационными технологиями на планете поднимется на еще более высокий уровень.
В качестве стратегических определились следующие направления развития информационных РТС: повышение скорости (и объема) передачи информации (за счет освоения более высокочастотных диапазонов электромагнитного спектра), гарантирование защиты информационных каналов (за счет более качественной селекции сигналов, использования эффективных методов скрытия информации), достижение полной надежности процесса информационного обмена (за счет перехода на цифровые способы передачи и обработки информации), повышение интеллектуальных возмо;кностей радиосистем (за счет глубокой адаптации РТС электронными средствами, в том числе путем использования быстро управляемых функциональных блоков и узлов, а также за счет функциональной шггегрализации).
В связи с этим объективный процесс совершенствования РТС требует, чтобы создание новых радиотехнических устройств осуществлялось с учетом вышеуказанных тенденций. Весьма актуальна разработка устройств, в которых интегрализация функций сочетается с интегральной технологией их изготовления, а в физических принципах действия которых заложены возможности дальнейшего существенного их совершенствования в соответствии с общей стратегией перехода современных РТС к новым поколениям.
В полной мере данное замечание относится к плоским устройствам дифракционного типа, действующим по принципу пространствеїшого преобразования принимаемых радиотехнической системой электромагнитньгх волн в поверхностные волгшг. Являясь конструктивно простыми и технологичными структурами, совмещающими в себе функции антенн и входных (выходных) избирательных устройств, они обладают высокими техническими характеристиками, применимы (при соответствующем масштабном моделировании) в диапазоне от дециметровых до миллиметровых длин волн и позволяют существенно повысить эффективность радиотехнических систем. Интегрализация простраііственно-частотно— поляризационных избирательных функций в плоских устройствах дифракционного типа (дифракционных фильтрах) непосредственно на входе приемника снижает его собственные шумы, повышает чувствительность, расширяет динамический диапазон РГС и области ее применения.
С учетом сказанного плоские устройства дифракционного типа, способные выполнять различные радиотехнические функции в составе РТС, имеют определенные перспективы.
Несмотря на то, что история исследований плоских дифракционных устройств насчитывает не один десяток лет, в данной области радиоэлектроники сохраняется ряд актуальных и нерешенных проблем, таких как: создание математических моделей процесса преобразования принимаемых (свободных) волн в поверхностные плоскими гребенчатыми фильтрами дифракционного типа (ГФДТ) на основе металлодиэлектрических гребенок со сложной структурой периода; теоретическое и экспериментальное исследование процесса преобразования свободных волн в поверхностные в резонансной области частот подобными гребенчатыми фильтрами; разработка эффективных входных радиоэлектронных . устройств в виде гребенчатых фильтров с совмещенной пространственно-частотной и поляризационной селекциями, в том числе, для РТС, использующих широкополосные сигналы, а также узкополосные сигналы, принимаемые в широком угловом секторе информационного радиообмена. Решение перечисленных проблем определило содержание диссертации.
Диссертационная работа подготовлена по материалам исследований, выполненных на кафедре радиотехнических систем ВГТУ в 1995-1998 гг. в соответствии с межвузовскими научно-техническими программами «Конверсия и высокие технологии», «Университеты России (Технические университеты)», Всероссийской программой «Излучение», а также госбюджетными НИР кафедры РТС на 1995-2000 гг. «Исследование и разработка радио- и оптоэлектронных устройств и систем различного назначения».
Целью диссертационной работы является исследование и разработка плоских радиотехнических устройств (гребенчатых фильтров) дифракционного типа угло-частотно-поляризациошюй селекции для современных и перспективных информационных РТС.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
-
Разработки универсальной математической модели процесса трансформации плоских электромагнитных волн с варьируемыми параметрами (направлением приема, частотой, типом поляризации) на одномерно-периодичных металлических гребенках со сложной структурой периода (многопазовых с разным порядком уровневости межпазовых ребер: одноуровневых и двухуровневых), нагруженных диэлектрическим слоем.
-
Проведения комплекса численных исследований преобразования принимаемых электромагнитных волн в связанные поверхностные волны в резонансной области радиочастот вышеназванными гребенчатыми фильтрами одноуровневого и двухуровневого типа.
-
Выявления на основе проведенного численного эксперимента характерных зависимостей угло-частотных характеристик плоских ГФДТ от геометрии периодной ячейки гребенки, а также оптимальных геометрических параметров фильтров с точки зрения обеспечения заданной чувствительности к направлению прихода радиоволны, ее частоте и типу поляризации.
-
Обоснования физических принципов построения плоских дифракционных гребенчатых фильтров со сложной вігутрипериодпой структурой.
-
Проведения комплекса экспериментальных исследований эффекта преобразования принимаемых радиоволн в поверхностные на резонансных частотах с помощью плоских ГФДТ различной геометрии.
-
Разработки инженерных рекомендаций по проектированию и оптимизации плоских гребенчатых фильтров дифракционного типа, совмещающих функции приемно-передающих антенн и фильтров первичной обработки радиосигналов, для перспективных РТС.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач использовались известные методы математического анализа радиотехнических устройств, в частности, классической электродинамики сплошных сред, теории дифракции радиоволн линейной поляризации на координатных одномерно-периодичных структурах, методы интегрирования волновых уравнений и их численного анализа, а также стандартные методики измерений характеристик радиотехнических устройств сверхвысокочастотного диапазона длин волн. Основные теоретические положения проверены путем численного моделирования на ЭВМ, лабораторного макетирования и экспериментального исследования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Создана универсальная математическая модель, описывающая процесс преобразования принимаемых радиоволн в поверхностные волны плоскими дифракционными гребенчатыми фильтрами, отличающаяся от известных учетом усложненной внугрипериоднсй структуры рассенвателя, в качестве которого предложены многопазовые металлические гребенки одноуровневого и двухуровневого типов. Модель характеризуется математической простотой, быстрой сходимостью вычислений и достаточной для практики точностью описания моделируемых объектов. Разработаны алгоритмы и программы для проведения численных расчетов одно- и двухуровневых гребенчатых фильтров в качестве взаимных входных (выходных) радиотехнических устройств при произвольных параметрах принимаемой (излучаемой) радиоволны.
-
Получены теоретические и экспериментальные данные по преобразованию свободных радиоволн в поверхностные одно- и двухуровневыми гребенчатыми фильтрами, обладающие новизной как в объекте исследования, так и в том, что доказывают возможность эффективного использования ГФДТ в РТС в качестве комбинированных устройств типа «антенна-фильтр», обеспечивающих
высокую угло-, частотную избирательность преобразуемого излучения, прием широкополосных сигналов при фиксированном направлении прихода волны, одновременное преобразование объемных волн взаимно ортогональных типов поляризации.
-
Для новых типов периодических рассеивателей обоснованы принципы действия и пути построения плоских дифракционных гребенчатых фильтров, отличающихся от применяемых ранее расширенным функциональным назначением для современных и перспективных РТС: фильтров угло-час-тотной селекции электромагнитного излучения; фильтров с повышенной чувствительностью к изменениям направления прихода радиоволны; фильтров для приема широкополосных радиосигналов; фильтров для приема узкополосных радиосигналов в широком угловом секторе; фильтров эффективного преобразования радиоволн взаимно ортогональных типов поляризации.
-
На основе математического моделирования подготовлены инженерные методики и практические рекомендации по проектированию и оптимизации параметров дифракционных фильтров со сложной внутрипериодной структурой, обеспечивающие создание входных (выходных) устройств с расширенными техническими и функциональными возможностями для радиотехнических систем связи.
Практическая ценность работы состоит в том, что применение разработанных математических моделей, алгоритмов и программ, а также полученных численных и экспериментальных результатов и апробированных инженерных рекомендаций позволяет: создать многофункциональные радиотехнические устройства, одновременно решающие задачи приема (передачи) и угло-частотно-поляризационной фильтрации принимаемых (излучаемых) радиосигналов; упростить процесс и сократить сроки проектирования плоских гребенчатых фильтров дифракционного типа с заданной чувствительностью к основным параметрам излучения для РТС различного назначения; повысить надежность и рабочий ресурс входных (выходных) устройств РТС, выполненных в виде гребенчатых фильтров дифракционного типа.
Реализация и внедрение результатов работы. В ходе исследований созданы действующие макеты плоских дифракционных гребенчатых фильтров, отличающиеся комбинациями выполняемых радиоэлектронных функций. Результаты диссертационной работы применены в Воронежском научно-исследовательском институте связи при разработке систем радиомониторинга и контроля эфира в рамках проектов «Курс», «Экран», а также в ВГТУ в учебном процессе на кафедре РТС.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК) «Направления развития систем и средств радиосвязи» (Воронеж, 1996),
«Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация» (Воронеж, 1997), Московской ежегодной студенческой НТК «Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве» (Москва, 1998), IV-й Международной НТК «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998), XXVIII Московской международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1998), ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 1996 -г 1998).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 7 статьях и тезисах 8 докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и включает 149 страниц машинописного текста, 62 рисунка на 53 страницах, одну таблицу, список литературы из 198 наименований. Диссертация содержит 2 акта о внедрении. .
