Введение к работе
Актуальность работы. Работа посвящена анализу свойств конформных прямоугольных печатных антенн и решеток на их основе, расположенных на внешней поверхности кругового проводящего цилиндра, укрытого несколькими диэлектрическими слоями. Исследователи и разработчики антенных систем стабильно проявляют интерес к этому вопросу, так как достоинства конформности, высокой устойчивости к воздействию окружающей среды, малого веса и габаритов и невысокая стоимость делают полосковые антенны на цилиндрических телах незаменимыми для авиационных, метеорологических, геофизических и медицинских применений.
Экспериментальное моделирование полосковых антенн и решеток на их основе на цилиндрических телах зачастую затруднено и даже невозможно, если необходимо настроить антенную систему, предназначенную для функционирования в земляных скважинах, в воздушном пространстве или на теле человека. Во всех этих случаях диэлектрические материалы с потерями располагаются в непосредственной близости от антенных элементов и их необходимо рассматривать как неотъемлемую часть антенной системы.
На цилиндрах малого электрического радиуса с толстыми покрытиями поверхностные волны существенно модифицируют поведение импе-дансных и направленных характеристик антенных систем, делая недостоверными данные,-полученные из натурного макетирования без наличия диэлектрических материалов.
Оценки взаимного влияния полосковых антенн в антенных системах и решетках на цилиндрических телах могут сильно отличаться от оценок, полученных расчетным или экспериментальным путем для антенн, расположенных на плоскости. Это делает метод моделирования взаимодействия цилиндрических полосковых антенн крайне необходимым для решения вопросов электромагнитной совместимости.
В связи с этим за последнее десятилетие было опубликовано немало работ, посвященных вопросам теоретического моделирования прямоугольных полосковых антенн на цилиндрах.
Тем не менее, количество публикаций на эту тему во много раз меньше, чем количество публикаций, посвященных исследованию разнообразных конструкций полосковых антенн на плоском экране. Это связано прежде всего с тем, что строгий учет кривизны цилиндрического экрана
в сочетании со слоистостью подложки и покрытия в рамках классического подхода приводит к целому кругу аналитических и вычислительных проблем.
Настоящая работа и была предпринята с целью восполнения пробелов в существующих методах анализа прямоугольных цилиндрических полосковых антенн со слоистым укрытием.
Целью диссертационной работы является разработка универсального метода анализа характеристик печатных полосковых излучателей на многослойных цилиндрических подложках, включающего в себя определение импедансных характеристик, расчет диаграмм направленности, оценку вклада поверхностных волн, учет наличия вытекающих волн, расчет влияния слоистых укрытий с потерями, оценку взаимодействия полосковых антенн в составе антенных решеток.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что анализ различных технических реализаций излучающих систем проведен на основе развитой в работе общей теории возбуждения слоистых цилиндрических структур в формулировке двух альтернативных представлений электромагнитных полей в виде разложения по радиально и продольно распространяющимся пространственным гармоникам. Выделен и проанализирован вклад поверхностных волн внешней области металлического цилиндра с многослойной оболочкой в импедансные характеристики полосковых антенн. Выявлено присутствие вытекающих волн в открытых слоистых структурах и продемонстрирован метод компенсации ошибок, связанных с вкладом вытекающих волн, при расчете полей в дальней зоне. Построена аналитическая модель диаграммы направленности полосковой антенны в составе цилиндрической периодической антенной решетки со слоистым укрытием. Предложен эффективный способ вычисления комбинаций цилиндрических функций Бесселя, обеспечивающий широкую применимость всех предложенных аналитических моделей.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что предложенные методы и алгоритмы позволяют предсказать характеристики полосковых антенн и решеток на цилиндрах с произвольным количеством слоев диэлектриков с потерями. Практическая ценность определяется также тем, что разработанные алгоритмы и компьютерные программы позволяют непосредственно находить технические характеристики антенн как элементов радиоэлектронных систем, что приводит к
существенной экономии материальных и трудовых ресурсов на проектирование.
Реализация результатов работы. Изложенные в диссертационной работе результаты получены в ходе выполнения плановых госбюджетных и частично научно-исследовательских хоздоговорных работ, проводившихся на кафедре "Радиопередающие устройства" Уральского государственного технического университета, г. Екатеринбург. Они также нашли применение в учебном лабораторном практикуме дисциплины "Антенны и устройства СВЧ".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ряде всесоюзных, республиканских и международных конференций и научно-технических семинаров, среди них:
республиканские научно-технические конференции УГТУ (Екатерин-бург,1985, 1988 гг.); школа-семинар в Куйбышевском авиационном институте в 1987 г.; всесоюзная конференция "Интегральная электроника" (Красноярск, 1988 г.); международный симпозиум по электромагнитной совместимости Вроцлав, 1988 г. и 1990 г.); всесоюзная конференция "Устройства и методы прикладной электродинамики" (Одесса, 1988 г.); республиканская конференция "Математическое моделирование и САПР радиоэлектронных систем СВЧ на объемных интегральных схемах'^ Суздаль, 1989 г.); всесоюзная НТК "Математические методы анализа и оптимизации зеркальных антенн различного назначения" (Свердловск, 1989 г.); всесоюзное научно-техническое совещание "Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза антенно-фидерных систем и их элементов" (Ростов Ярославский 1990 г); межрегиональная НТК "Сложные антенные системы и их компоненты. Теория, применение, экспериментальные исследования, практика (Ленинград, 1991 г.); международный симпозиум URSI по электромагнитной теории (Санкт-Петербург, 1995 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы содержатся в 22 опубликованных работах; основное содержание работы опубликовано в 17 работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения и содержит 167 страниц текста и рисунков, 44 страницы рисунков. Список литературы включает 87 наименований.
