Квазiоптичні інтегральні дiаграмоутворюючі схеми багатопроменевих антен діапазону міліметрових хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.396.67

Автореферат

дисертацii на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки

Квазiоптичні iнтегральні дiаграмоутворюючі схеми багатопроменевих антен дiапазону міліметрових хвиль

Бугрова Тетяна Іванівна

Харків - 2009

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрi радiотехнiки і телекомунікацій Запорiзького національного технiчного унiверситету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Піза Дмитро Макарович, Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, завідувач кафедри радіотехніки і телекомунікацій.

Офiцiйнi опоненти - доктор фiзико-математичних наук, професор Должиков Володимир Васильович, Харківський національний університет радіоелектроніки, м. Харків, професор кафедри основ радіотехніки; доктор фiзико-математичних наук, професор Горобець Микола Миколайович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, м. Харків, завідувач кафедри прикладної електродинаміки.

Захист відбудеться 01 липня 2009 р. о 13-00 годині на засiданнi спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 у Харківському національному унiверситеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат разiслано “ 20” травня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Широке коло задач, які висуваються наукою і технікою, перед розробниками радіосистем, приводить до необхідності створення антен різного призначення з різноманітними заданими характеристиками. Опанування все більш високочастотних діапазонів радіохвиль, зокрема, діапазону занадто високих частот (ЗВЧ) породжує і ряд нових проблем наукового і технічного плану, які потребують розв'язку.

Одним з важливих напрямків в розвитку сучасних антенних систем є створення багатопроменевих антен (БА). Формування в просторі декількох незалежних променів являється відмінною ознакою і основною перевагою багатопроменевих багатоканальних антенних систем перед однопроменевими. Ця обставина визначає великі потенційні можливості практичного використання БА в радіотехнічних комплексах різного призначення: в системах виділення некоординатної інформації з електромагнітних коливань (розпізнавання образів), в системах радіобачення, призначених для візуалізації радіосцени, в системах швидкісного бездротового доступу до Інтернету, в мобільних радарах різного призначення, в системах супутникового зв'язку і мовлення і т.iн.

В БА просторова обробка електромагнітних коливань здійснюється за допомогою реактивних або дисипативних діаграмоутворюючих схем (ДУС) на несучій або проміжній частоті, оптичного або матричного типу. Випромінююча частина БА, як правило, будується у вигляді решіток апертурних або гібридних антен. Головним недоліком, що перешкоджає більш широкому поширенню БА на практиці, є схемна і конструктивно-технологічна складність традиційних матричних ДУС. Цей недолік особливо проявляється з ростом порядку ДУС, тобто при збільшені кількості променів БА. Тому важливою є задача побудови нових структур БА, які дозволяють в кінцевому рахунку спростити і їх практичну реалізацію.

На ЗВЧ ефективність традиційних ДУС БА матричного типу додатково знижується із-за зростання затухання в лініях передачі.

Це стимулює пошук рішень, які виходять за рамки традиційних концепцій побудови ДУС, таких, зокрема, як ДУС на основі квазіоптичного принципу формування віяла променів у просторі. Ці принципи досить повно викладено у монографії С.Корнбліта (1980). Подібна ідея була реалізована професором Горобцем М.М. і його школою в гібридній дзеркальній багатопроменевій антені аерокосмічного радіометра, де в якості багатоканального опромінювача використовувалась хвилеводно-щілинна антенна решітка. Подальший розвиток теорії і техніки ДУС БА діапазону міліметрових хвиль викликав появу концепцій побудови, які могли бути реалізовані в рамках сучасних інтегральних технологій.

Аналізу складних багатошарових діелектричних структур в науковій літературі присвячена достатньо велика кількість публікацій, в яких розв'язано низку локальних задач тим чи іншим чисельним або чисельно-аналітичним методами. Однак, опубліковані результати теоретичних і експериментальних досліджень не мають систематичного характеру, а використані методи аналізу і алгоритми на їх основі недостатньо універсальні і ефективні для використання в системах автоматизованого проектування інтегральних ДУС. Тому на сьогодні є актуальною тема дисертації, що направлена на розробку математичних моделей, які описують дисперсійні та дифракційні властивості метало-діелектричних решіток в міліметровому діапазоні хвиль. Актуальною також є задача розробки наближених ефективних методів і алгоритмів розрахунку складних метало-діелектричних структур квазіоптичного принципу дії та функціональних антенних елементів на їх основі, чому і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі радіотехніки та телекомунікацій Запорізького національного технічного університету. Наведені в дисертації результати досліджень отримано в процесі проведення науково-дослідної роботи, яку було фінансовано Міністерством освіти і науки України (№ ДР 0103U000108, тема: “Дослідження алгоритмів просторово - часової обробки радіолокаційних сигналів в умовах комплексних завад”) , а також у пошукових роботах, що були направлені на розробку перспективної радіолокаційної станції на казенному підприємстві «Науково-виробничий комплекс «Іскра»» у м. Запоріжжі, у здійсненні яких автор брав участь в якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Основною метою даної роботи є подальший розвиток методів аналізу і параметричного синтезу ДУС квазіоптичного типу для багатопроменевих антен радіолокаційних систем спеціального призначення

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Поставити і розв'язати задачу дисперсії шляхом отримання і чисельного аналізу наближеного дисперсійного рівняння нескінченних решіток тонких металевих смужок, які симетрично нанесено на обидві сторони екранованої діелектричної пластини.

2. Поставити і розв'язати задачу дифракції у вигляді інтегрального рівняння для напівнескінченної решітки діелектричних щілинних хвилеводів (ДЩХ), яка збуджується плоскою поверхневою Н₁ - хвилею екранованої діелектричної пластини.

3. Розробити наближені моделі елементів ДУС БА на основі дослідження дисперсійних і дифракційних властивостей решіток ДЩХ.

4. Дослідити фізичні ефекти, що мають місце при поширенні хвиль в решітках ДЩХ і у квазіоптичних елементах, які побудовані на їх основі.

5. Розробити рекомендації для проектування квазіоптичних інтегральних ДУС БА.

Об'єкт дослідження - хвилеві явища у елементах інтегральних діаграмоутворюючих схем.

Предмет дослідження - діаграмоутворююча схема багатопроменевої антени квазіоптичного типу.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач було використано методи інтегральних рівнянь, метод Вінера-Хопфа і Гальоркіна, елементи феноменологічної теорії зв'язаних ліній передачі; метод векторної оптимізації за сукупністю показників якості (ПЯ), а також методи обчислювальної математики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:.

Запропоновано нову концепцію побудови ДУС БА квазіоптичного типу діапазону міліметрових хвиль, яка відрізняється від існуючих своєю структурою, а саме наявністю ділянки зв'язаних ліній передачі, включених через канал фазозсувачів та лінзи-коректора з вимушеним заломленням, завдяки чому структура здатна сформувати близький до оптимального амплітудно-фазовий розподіл поля ДУС з метою зменшення втрат потужності.

Сформульовано і вирішено задачу про власні хвилі нескінченної решітки тонких металевих смужок, що складає ключову модельну структуру запропонованої вище ДУС.

Сформульовано і вирішено задачу про дифракцію плоскої поверхневої H₁-хвилі діелектричної пластини на півнескінченній решітці тонких металевих смужок, що відрізняється від існуючих падінням на решітку саме поверхневої, а не просторової хвилі.

Запропоновано нові моделі елементів ДУС на основі решіток з планарних метало-діелектричних структур і алгоритми параметричного синтезу інтегральних ДУС БА шляхом застосування показників якості елементів, що синтезуються.

Практична значимість отриманих результатів полягає в наступному.

Запропоновано моделі елементів квазіоптичних ДУС. На основі аналізу техніко-технологічних протиріч сформований вектор ПЯ. Сформульовано рекомендації для вибору параметрів інтегральних квазіоптичних ДУС БА.

На підставі розв'язку ключових модельних задач і розробленого програмного комплексу створено модель для аналізу решіток ДЩХ, на базі якої може бути здійснено параметричний синтез інтегральних ДУС багатопроменевих антен на топологічному рівні.

Показано, що за допомогою розроблених моделей квазіоптичних ДУС можуть бути отримані конкретні технічні рішення, які здатні покращити головні показники якості БА.

Підтвердженням практичної значимості отриманих в дисертації результатів слугує використання їх в розробках підприємств і дані натурних випробувань макета ДУС.

Результати дисертаційної роботи знайшли практичне застосування в науково-дослідних роботах, зокрема при виконанні НДР №0103U000108 “Дослідження алгоритмів просторово-часової обробки радіолокаційних сигналів в умовах комплексних завад”. Результати дисертації було використано також у пошукових роботах, які направлені на розробку перспективної радіолокаційної станції метрового діапазону на казенному підприємстві «Науково-виробничий комплекс «Іскра»» (м. Запоріжжя), а також застосовуються в навчальному процесі на кафедрі радіотехніки та телекомунікацій Запорізького національного технічного університету, що підтверджується актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача у праці, виконані в співавторстві, полягає у постановці, аналітичному розв'язанні задач [1,2,3,4,9,10,11], аналізі числових результатів [1], створенні алгоритмів [2,3,4], проведенні комп'ютерних і натурних досліджень [9,12].

Апробація результатів дисертаційної роботи. Результати дисертаційної роботи були представлені і обговорені на наступних наукових конференціях, симпозіумах і семінарах:

· всесоюзному науковому семінарі “Математичні методи в електродинаміці” (Москва, МДУ, 18 травня 1990р.);

· 24-th European Microwave Conference EuMC'24 (Nice, France, 1994);

· 4-th Kharkov Symposium on Millimeter and Submillimeter Waves, MSMW'2001 (Ukraine, Kharkov, June 4 - 7, 2001);

· 2002 International Conference on Mathematic Methods in Electromagnetic Theory, MMET'2002 ( Kiev, Ukraine, September 10 - 13, 2002);

· 3-й і 4-й міжнародних науково-практичних конференціях «Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій» (Запоріжжя, ЗНТУ, 2006 і 2008).

Публікації за темою дисертації. Основні результати досліджень опубліковано в 8 статтях в періодичних фахових журналах та збірках статей, що входять до переліку ВАК України (в тому числі у 3 статтях в зарубіжних наукових періодичних виданнях), у 5 доповідях, матеріали яких увійшли до праць міжнародних симпозіумів і конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та одного додатку. Загальний обсяг дисертаційної роботи 151 стор., із них 148 машинописного тексту, 54 рисунки, 102 джерела бібліографічного переліку, додаток на 3 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень і визначено місце роботи в розв'язку проблем, які виникли під час розробки інтегральних ДУС БА ЗВЧ діапазону. Викладено короткий зміст розділів роботи.

В першому розділі, який носить оглядовий характер, приводяться відомості про підходи до проблеми побудови ДУС БА. Головна увага приділяється аналізу технічних протиріч (на якісному рівні) основних класів БА: фазованих антенних решіток, апертурних антен і ДУС типу матриць Батлера і Бласа. Обгрунтовується структура інтегральної ДУС з двох лінз - коригувальної Л1 і випромінювальної Л2, ділянки з'язку ДЗ, блоку фазозсувачів БФ (рис.1), вибір типу базової лінії передачі.

Приводяться досягнення в області проектування БА багатомодових хвилеводів. Виділено ключову модельну структуру інтегральної ДУС (рис.2) у вигляді періодичної решітки напівнескінченних діелектричних щілинних хвилеводів.

Проведено також огляд робіт, присвячених розв'язку електродинамічних задач про власні хвилі нескінченних металевих решіток і дифракції електромагнітних хвиль на напівнескінченних періодичних решітках. Сформульовано задачі, вирішенню яких присвячена дисертаційна робота.

Рис.1. Структура ДУС БА



Рис.2. Ключова модельна структура

В другому розділі сформульовано і розв'язано електродинамічну задачу про власні хвилі решітки зв'язаних діелектричних щілинних хвилеводів при гіпотетичному розташуванні магнітної стінки в площині симетрії структури.

В припущенні того, що для випадку вузьких металевих смужок амплітуди струмів, які протікають в повздовжньому напрямку смужки, набагато перевищують амплітуди поперечних струмів, одержане наближене дисперсійне рівняння решітки:

, (1)

де Z/W - нормований поверхневий імпеданс зв'язаних металевих смужок. У випадку відсутності втрат в смужках Z має чисто уявний характер,

,

,

,

- стала поширення власних хвиль пластини,

- стала поширення власних хвиль решітки,

коефіцієнт перетворення хвиль Н₁ в Е₂,

, - довжина хвилі.

Досліджено просторову і частотну дисперсії основної хвилі і ближніх вищих типів (рис.3, 4). З рис. 3, 4 видно, що для основної хвилі просторова дисперсія нормальна, в той час як для вищих типів хвиль вона аномальна, до того ж вона зменшується зі зменшенням електричної товщини металевої смужки або зі збільшенням відносної товщини діелектричної підкладинки.

Рис.3. Просторова дисперсія основної хвилі

Рис.4. Просторова дисперсія хвиль вищих типів

Сформульовано умови відсічки вищих типів хвиль (НЕ₁₂ и ЕН₂₁), які отримано із дисперсійного рівняння (1):

Для всіх виконуються умови режиму основної хвилі решітки з хвилею НЕ₁₁.

Залежність повздовжньої проекції хвильового вектора від його поперечної проекції має періодичний характер з періодом 2/P.

Визначено коефіцієнти сповільнення фазової швидкості хвиль, які поширюються, і коефіцієнт зв'язку в лінійному наближенні для основної хвилі в системі ДЩХ. багатопроменевий антена параметричний синтез

Знайдено аналогію отриманих результатів з феноменологічною теорією нескінченних періодичних структур на основі зв'язаних хвилеводів, завдяки чому отримано просте співвідношення для коефіцієнту зв'язку: С0,25[(0)- ()], де () - спектральний параметр, знайдений як рішення рівняння (1).

В третьому розділі розв'язана ключова задача про падіння поверхневої H₁-хвилі, яка поширюється в екранованій діелектричній пластині, на напівнескінченну решітку з вузьких металевих смужок, симетрично і періодично розташовану на протилежних боках пластини.

Кути падіння хвилі і розвороту решіток відносно границi вважаються довільними. Крайова задача сформульована у вигляді інтегрального рівняння відносно повздовжніх густин струмів:

(2)

де С - деяка стала величина.

У рівнянні (2) чисельник виразу в квадратних дужках при =0 перетворюється в дисперсійне рівняння решітки металевих смужок (1). Рівняння (2) відноситься до класу рівнянь, які розв'язуються методом Вінера - Хопфа. Вводячи позначення:

,

,

,

, (3)

перетворимо (2) в рівняння Вінера - Хопфа:

. (4)

Застосування до (4) перетворення Фур'є дає рівняння відносно Фур'є-образу густини струму на смужках решітки I₊():

, (5)

де G() і A₊() відомі, а I₊() і B_-() потребують визначення.

Ключовим моментом в вирішенні рівняння (5) є факторизація функції G():

G()=G₊() G_-(),

де G₊() і G_-() - функції, що регулярні відповідно у верхній і нижній напівплощині комплексної площини .

Для нашої задачі функція G() не являється ні парною, ні непарною (виняток складає випадок перпендикулярного розвороту смужок решіток до межі, коли G() стає парною). Тому доводиться користуватися узагальненою теоремою про факторизацію функції G(). З виразу (2) випливає, що функція G() може мати нулі і полюси на дійсній вісі, які відповідають кореням характеристичного рівняння решітки і пластини. Тому для факторизації G() перетворюється так, щоб знову побудована функція не мала нулів і полюсів на дійсній осі і прямувала до одиниці при нескінченному збільшенні аргументів. Дослідження асимптотичної поведінки G() при прямуванні аргументу до нескінченності дає лінійну залежність G від :

.

Тут А₁ - деяка стала величина. Якщо ₁, ₂,…, _n - полюси функції G() на дійсній вісі, а - нулі цієї ж функції на тій же вісі, то функція, яка має необхідні для факторизації властивості, виглядає наступним чином:

. (6)

Тепер функція G() дорівнює:

, (7)

де k=n-m - різниця кількості нулів і полюсів G().

У виразі (7) множник в квадратних дужках факторизується безпосередньо, а - за узагальненою теоремою факторизації. Враховуючи, що для розв'язуваної задачі (відповідно до теореми Лиувілля) В_-()=0, можна визначити густину струмів на смужках, якщо здійснити зворотнє перетворення Фур'є виразу (5). Вторинне поле дорівнює:

. (8)

Для знаходження коефіцієнту відбиття R_hh H₁-хвилі необхідно замкнути контур інтегрування (8) у верхній напівплощині. Інтеграл буде дорівнювати лишкові підінтегральної функції в точці - _h, де _h - проекція хвилевого числа H₁-хвилі, спрямована вздовж смужки.

При цьому коефіцієнт відбиття дорівнює:

,

а його модуль -

,

де _i - нулі, _j - полюси функції G().

Поведінка коефіцієнту відбиття в залежності від кутів падіння в одномодовому і двомодовому режимах наведено на рис. 5, 6.

Рис. 5. Коефіцієнт відбиття режимі



Рис. 6. Коефіцієнт відбиття в одномодовому в двомодовому режимі

Таким чином, в результаті отримання і розв'язку інтегрального рівняння методом Вінера - Хопфа, визначені розсіяне поле, коефіцієнти відбиття і перетворення хвиль, які поширюються в решітці. Приводяться результати чисельного дослідження впливу параметрів структури, довжини хвилі і кута її падіння на коефіцієнти відбиття. Зокрема встановлено, що в широкому діапазоні параметрів решітка вузьких металевих смужок добре узгоджена з пластиною. Існує область параметрів, в якій коефіцієнти перетворення хвиль вищих типів малі, і в цій області явищем перетворення хвиль можна знехтувати з точністю, достатньою для інженерних застосувань. Встановлено також, що прояв такого негативного явища, як виникнення нерегулярних ділянок в кутових залежностях коефіцієнтів відбиття решітки (так званих аномалій Вуда), пов'язаного з появою чи зникненням вищих типів хвиль, можна зменшити шляхом скорочення відносного періоду решіток і відносної товщини діелектричної пластини.

В четвертому розділі сформульовано загальні принципи побудови діаграмоутворюючих схем багатопроменевих ЗВЧ антен. Показано, що система ізольованих опромінювачів не здатна сформувати амплітудно-фазовий розподіл (АФР) джерел поля, що одночасно забезпечував би близьке розташування діаграм спрямованості (ДС) окремих каналів і високий ступінь ортогональності сусідніх променів.

Для забезпечення близького до оптимального АФР у розкриві оптичної системи використовується багатоканальний опромінювач на основі зв'язаних ліній передачі. Введення до складу опромінювача блоку фіксованих фазозсувачів, ввімкнених через канал, забезпечує синфазно-протифазний розподіл фаз, а додаткова коригуюча лінза підвищує рівномірность опромінення оптичної системи (ОС), забезпечуючи відповідний нахил ДС кожного з каналів на потрібний кут в тому випадку, коли робочим є не центральний канал. Це забезпечує амплітудний розподіл, близький до sin(x)/(x), а ДС його, відповідно, нагадує столоподібну (рис.8), що дає мінімізацію втрат, які пов'язані з перетіканням енергії через краї ОС.

На основі аналізу протиріч ДУС квазіоптичного типу формується вектор показників якості пристрою. Змодельовано окремі елементи ДУС: ділянка зв'язку, блок фіксованих фазозсувачів. В наближенні слабкого зв'язку побудована феноменологічна модель випромінювача із решітки хвилеводів при збудженні одного хвилеводу. Визначено діаграму спрямованості і коефіцієнт проходження потужності через ділянку зв'язаних хвилеводів. На основі отриманих результатів сформульовано критерії вибору конструктивних параметрів ДУС для забезпечення потрібних характеристик. Визначено вимоги до параметрів ліній затримки, які входять до складу коригуючої лінзи опромінювачів і в ОС. Проведено синтез поліфокальних лінз згідно критерію мінімуму кубічних фазових спотворень в розкриві ОС.

В якості конкретного прикладу реалізації сформульованих в роботі принципів побудови ДУС ЗВЧ і для їх підтвердження спроектовано інтегральну квазіоптичну БА на основі ДЩХ. Параметричний синтез БА здійснено за допомогою спеціально розроблених програмних засобів для розрахунку основних конструктивних параметрів антени.

Для дотримання потрібної точності геометричних розмірів ДУС одержання результатів здійснюється на топологічному рівні. Макет (рис. 7) був виготовлений методами тонкоплівкової інтегральної технології на двох підкладинках з полікору розміром 48 х 60 мм, товщиною 1 мм, і випробуваний в смузі частот 32…39 ГГц.

Визначено основні параметри і характеристики ДУС (рис. 8, 9, 10), які свідчать про можливість реалізації щільного віяла променів завдяки спеціальному формуванню розподілу поля в ДУС за допомогою запропонованої в роботі квазіоптичної інтегральної структури. З рис. 8 видно, що існує деяка оптимальна довжина ділянки зв'язку, при якій ДС опромінювача нагадує столоподібну, в той час як при подальшому збільшенні довжини цієї ділянки зверх оптимальної ДС стає дедалі все менш рівномірною. На рис.10 показано процес розтікання розподілу потужності до майже столоподібного в площині підкладинки на ділянці ДЗ-БФ (рис.1) при оптимальній довжині ДЗ.

Рис. 7. Макет БА

Рис. 8. ДС опромінювача оптичної (без металевих екранів) системи (розрахунок)



Рис. 9. ДС багатопроменевої антени (експеримент)

Рис.10. Амплітудний розподіл поля опромінювача (експеримент)

Оцінку ортогональності амплітудно-фазових розподілів, які формуються у сусідніх каналах на виходах БФ (рис.1), проведено за допомогою феноменологічної теорії зв'язаних ліній передачі у наближенні слабкого зв'язку шляхом визначення ваги :

, (9)

де - розподіл амплітуд внаслідок збудження сусідніх каналів. Чисельник (9) є квадратом скалярного добутку розподілів, що формуються в сусідніх каналах. В знаменнику знаходяться їх норми. Із нерівності Коші-Буняковського випливає, что 1. Аналітичне сумування рядів в (9) дає вираз для ваги :

,

де J_n(cl_c) - функції Бесселя першого роду n-го порядку;

cl_c - узагальнений параметр зв'язку між сусідніми каналами.

У дисертації показано, що максимальний коефіцієнт проходження потужності крізь решітку Т0.9 реалізується тоді, коли узагальнений параметр зв'язку дорівнює При цьому , що відповідає близькому до 1,1% ступеню неортогональності сусідніх променів БА. Якщо розподіл амплітуд поля збудження нагадує sin(x)/(x), то ДС сусідніх каналів можна вважати такими, що є ортогональними з високим ступенем точності.

Висновки

Внаслідок дисертаційних досліджень вирішено актуальну науково-прикладну задачу подальшого розвитку теорії інтегральних багатопроменевих антен квазіоптичного типу діапазону міліметрових хвиль, яка складається з вирішення крайових електродинамічних задач для ключової модельної структури у вигляді решітки тонких металевих смужок, що нанесено на обидві сторони екранованої діелектричної пластини: задачі про власні хвилі і задачі про дифракцію Н₁ - хвилі діелектричної пластини на решітці. В подальшому на основі отриманих результатів розроблені наближені математичні моделі елементів ДУС БА, алгоритм і програмні засоби для параметричного синтезу ДУС і БА в цілому на рівні інтегральної топології.

Основні результати, отримані в дисертації, полягають у наступному.

Вперше сформульовано в строгій електродинамічній постановці і вирішено чисельно-аналітичним шляхом в наближенні того, що металеві смужки вузькі, задачу про власні хвилі нескінченної метало-діелектричної решітки. Визначено умови, при яких в решітці поширюється тільки основна хвиля. Вперше сформульовано в строгій електродинамічній постановці у вигляді інтегрального рівняння і вирішено аналітичним методом Вінера-Хопфа задачу про дифракцію плоскої поверхневої Н₁ хвилі діелектричної пластини на напівнескінченній решітці вузьких металевих смужок.

Розроблено наближені математичні моделі елементів ДУС БА на основі аналізу дисперсійних і дифракційних властивостей решіток ДЩХ (ділянки зв'язаних ліній передачі на феноменологічному рівні, ділянки фіксованих фазозсувачів, випромінення з решітки зв'язаних ліній передачі, модель всієї інтегральної ДУС БА квазіоптичного типу в цілому). Здійснено синтез поліфокальних лінз і отримано рівняння профілів їх коефіцієнтів заломлення.

Досліджено ефекти, що виникають при поширенні хвиль в решітках ДЩХ і у квазіоптичних елементах, які побудовано на їх основі. Досліджено особливості появи аномалій Вуда в таких решітках і сформульовано рекомендації щодо їх ослаблення. Досліджено умови «прозорості» решіток за певних сполучень геометричних і електрофізичних параметрів і подано рекомендації щодо використання цих умов.

Вперше запропоновано структуру ДУС БА на зв'язаних лініях передачі, яка інваріантна до типу лінії, і побудовано алгоритм функціонування ДУС БА квазіоптичного типу. Розроблено рекомендації для проектування квазіоптичних інтегральних ДУС БА. Розроблено алгоритми і програмні засоби для аналізу нескінченних решіток і діелектричної пластини, яка навантажена на напівнескінченну смужкову решітку.

Сформульовано вектор показників якості ДУС, який містить в собі величину, зворотню до смуги робочих частот, сектор огляду, теплові і дифракційні втрати, частотну чутливість кутового положення променів БА, відносну зміну КСД по діапазону робочих частот. Вектор ПЯ сформований таким чином, щоб при зростанні якості відповідний елемент вектора зменшувався. Розроблено алгоритм і програмні засоби для параметричного синтезу інтегральної ДУС в цілому. Проведено оптимізацію і синтез структури ДУС на топологічному рівні. Здійснено натурні випробування макета ДУС і інтегральної БА разом на частотах 32…39 ГГц. Аналітичні і чисельні результати дослідження властивостей ДУС порівнювались з результатами натурних випробувань макета і даними інших авторів. Порівняння підтвердило правильність основних принципів побудови ДУС і довело можливість їх використання у створенні наскрізної комп'ютерної технології проектування інтегральних ДУС БА квазіоптичного типу діапазону міліметрових хвиль. Результати дисертації впроваджено в науково-дослідних і пошукових роботах на підприємствах, а також застосовано в навчальному процесі, що засвідчується відповідними актами про впровадження.

Перелік праць, опублікованих за темою дисертації

1. Банков С.Е. Дифракция Н₁-волны на металлодиэлектрических решетках /С.Е. Банков, Т.И. Бугрова, И.В. Левченко: тезисы докладов всесоюзного научного семинара [«Математическое моделирование и приложение явлений дифракции»], (Москва, 24 - 25 мая 1991 г.) / М-во образования СССР- Московский государственный университет - М.: МГУ, 1990. - С. 107 - 109.

2. Банков С.Е. Собственные волны планарной метало -диэлектрической решетки [текст] / С.Е. Банков, Т.И. Бугрова // Радиотехника и электроника. - М.: Наука, 1993. - Т. 38. - № 1. - С. 73 - 80.

3. Bankov S.E. Analysis of Millimeter-Wave Integrated Beam-Forming Network for Quasioptical Multibeam Antennas [текст] / S.E.Bankov, T.I. Bugrova // Microwave and Optical Technology Letters. - New York: John Wiley & Sons, Inc., 1993. -Vol. 6. - № 13. - P. 782 -786.

4. Банков С.Е. Диаграммообразующая схема многолучевой антенны КВЧ диапазона [текст] / С.Е. Банков, Т.И. Бугрова // Радиотехника. - Москва, 1994. - № 4 - 5. - С. 105 - 108.

5. Бугрова Т.И. Моделирование диаграммообразующей схемы многолучевой антенны квазиоптического типа [текст] / Т.И.Бугрова // Радіоелектроніка, інформатика, управління .- Запоріжжя: ЗНТУ, 1999. - № 1. - С. 5-8.

6. Бугрова Т.И. Возбуждение решеток диэлектрических щелевых волноводов плоской поверхностной Н₁ - волной диэлектрической пластины [текст] / Т.И. Бугрова // Радіоелектроніка, інформатика, управління. - Запоріжжя: ЗНТУ, 1999. - №2. - С. 4-8.

7. Bugrova T.I. Integrated Multibeam Antenna for Millimeter Waves / T.I. Bugrova: Proceedings of Fourth Kharkov International Symposium [«Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves - MSMW'2001»], (Ukraine, Kharkov, June 4 - 7, 2001) / Scientific Council of the National Academy of Sciences of Ukraine on Radio-Physics and Microwave electronics - Kharkov: Kharkov State University, 2001. - Vol. 2. - P. 1002-1004.

8. Bugrova T.I. Dispersive and diffraction analysis of integrated periodic waveguide structure / T.I. Bugrova: Proceedings of 2002 International Conference [«Mathematical Methods in Electromagnetic Theory - MMET'2002»], (Ukraine, Kiev, September 10 - 13, 2002) / Kiev: Kiev State University, 2002. -Vol. 2 - P. 432-434.

9. Бугрова Т.И. Метод расчета импеданса интегральной структуры из металлических полосок для высших типов волн [текст] / Т. И. Бугрова, В. М. Морозов, В. С. Кабак, Е. И. Бугров // Радіоелектроніка, інформатика, управління. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2002. - №2. - С. 13-16.

10. Бугрова Т.И. Взаимодействие поверхностной Н₁-волны диэлектрической пластины с решеткой диэлектрических щелевых волноводов [текст] / Т.И.Бугрова, В.М.Морозов // Радиотехника: всеукр. межвед. науч. - техн. сб. - Х.: ХНУРЕ, 2003. - Вып. 135.- С. 48 - 52.

11. Бугрова Т.И. Дифракция основной волны диэлектрической пластины на ленточной решетке [текст] / Т.И. Бугрова, В. М. Морозов // Физика. Радиоэлектроника: сб. научн. трудов ДНУ. - Днепропетровск: ДНУ, 2003. - Вып. 10. - С. 163-167.

12. Бугрова Т.И. Модели диаграммообразующих схем многолучевых антенн диапазона миллиметровых волн / Т.И. Бугрова, В.М. Морозов: Тези доповідей ІІІ міжнародної науково-практичної конференції [«Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій»], (Запоріжжя, 13 - 15 квітня 2006 р.) / М-во освіти і науки України - Запорізький національний технічний університет - Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - С.33-35.

13. Бугрова Т.І. Хвилі інтегральної структури з металевих стрічок / Т.І. Бугрова: : Тези доповідей ІV міжнародної науково-практичної конференції [«Сучасні проблеми і досягнення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій»], (Запоріжжя, 24 - 26 вересня 2008 р.).

Анотація

Бугрова Т.І. Квазіоптичні інтегральні діаграмоутворюючі схеми багатопроменевих антен діапазону міліметрових хвиль. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 - Антени та пристрої мікрохвильової техніки.-Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2009.

У дисертації розвинено методи аналізу і параметричного синтезу діаграмоутворюючих схем багатопроменевих антен діапазону занадто високих частот на основі інтегральних структур у вигляді періодичних метало-діелектричних решіток з тонких металевих смужок. Для ключової структури ДУС - метало-діелектричної решітки - сформульовано у строгій електродинамічній постановці і вирішено чисельно-аналітичним методом задачу про власні хвилі і про дифракцію плоскої поверхневої хвилі діелектричної пластини на періодичній решітці в наближенні вузькості металевих смужок при довільному просторовому періоді.

Досліджено просторову дисперсію основної і найближчих вищих типів власних хвиль решітки, поведінку коефіцієнтів перетворення хвиль і власного поверхневого імпедансу смужок від електрофізичних і геометричних параметрів структури. Визначено, що для основної хвилі просторова дисперсія нормальна, в той час як для вищих типів хвиль вона аномальна.

Проведено аналогію з феноменологічною теорією зв'язаних ліній передачі. Отримано прості вирази для коефіцієнта зв'язку в лінійному наближенні між інтегральними хвилеводами а також для коефіцієнтів відбиття основної хвилі діелектричної пластини від границі решітки. В процесі чисельно - аналітичних досліджень виявлено, що у досить широкому діапазоні змінювання відносних геометричних параметрів і кутів падіння хвилі решітка достатньо добре узгоджена з діелектричною пластиною.

Проведено аналітичну оцінку ортогональності сусідніх променів багатопроменевої антени. Виявлено достатньо високий ступінь ортогональності сусідніх променів ДС БА. Якщо розподіл амплітуд поля збудження нагадує sin(x)/(x), то ДС сусідніх каналів ортогональні з точністю 1,1%.

Розроблено математичні моделі структурних компонентів ДУС: ділянки зв'язку, блоку фіксованих фазозсувачів, коректуючої і випромінюючої лінз з вимушеним заломленням. За умови мінімізації кубічних фазових спотворень хвилевого фронту лінзи-випромінювача отримано рівняння профілів поліфокальної лінзи-коректора і лінзи-випромінювача, а також рівняння для коефіцієнтів їх заломлення.

Ключові слова: діаграмоутворююча схема, багатопроменева антена, лінза з вимушеним заломленням, решітка інтегральних хвилеводів, коефіцієнт відбиття, дифракція, діаграма спрямованості, амплітудно-фазовий розподіл.

Аннотация

Бугрова Т.И. Квазиоптические интегральные диаграммообразующие схемы многолучевых антенн диапазона миллиметровых волн. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 - Антенны и устройства микроволновой техники. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2009.

В диссертации развиты методы анализа и параметрического синтеза диаграммообразующих схем (ДОС) многолучевых антенн диапазона крайне высоких частот на основе интегральных структур в виде периодических металло-диэлектрических решеток тонких металлических лент. Для ключевой структуры ДОС - метало - диэлектрической решетки - сформулированы в строгой электродинамической постановке и решены численно-аналитическим путем задача о собственных волнах и о дифракции плоской поверхностной волны экранированной диєлектрической пластины на полубесконечной периодической решетке металлических лент в приближении узости этих лент при произвольном пространственном периоде их размещения. Исследована пространственная дисперсия основной и ближайших высших типов собственных волн решетки, поведение коэффициентов преобразования волн и собственного поверхностного импеданса полосок при изменении электрофизических и геометрических параметров структуры. Установлено, что пространственная дисперсия как основной, так и высших типов волн решетки ослабевает при увеличении электрической толщины диэлектрической положки. Тот же эффект наблюдается при уменьшении относительной толщины металлической полоски. Кроме того, волны высших типов существуют в решетке в ограниченном диапазоне пространственных улов, и можно соответствующим выбором параметров структуры минимизировать их влияние.

Найдена реактивная составляющая импеданса узких металлических полосок из решения соответствующей краевой задачи. Она является гладкой функцией продольной составляющей коэффициента замедления волны. Показано, что на любом конечном отрезке действительной оси с любой требуемой степенью точности она может быть аппроксимирована мероморфной функцией. Обнаружено, что реактивная энергия, запасенная вблизи острых кромок полоски, возрастает с увеличением частоты и с уменьшением ширины полоски. Установлено, что коэффициент преобразования волны Н₁ в Е₂ - волну монотонно убывает с ростом частоты. Зависимости его от ширины полоски не обнаружено.

Проведена аналогия с феноменологической теорией связанных линий передачи. Получены простые выражения для коэффициента связи в линейном приближении между интегральными волноводами и для коэффициентов отражения основной волны диэлектрической пластины от границы решетки. В процессе исследования обнаружено, что в широком диапазоне изменения относительных геометрических параметров и углов падения волны решетка достаточно хорошо согласована с диэлектрической пластиной.

Проведена аналитическая оценка степени ортогональности соседних лучей многолучевой антенны. Установлено аналитически, что степень неортогональности соседних лучей ДН при близком к sin(x)/(x) распределении амплитуд поля возбуждения составляет около 1,1%. Разработаны математические модели отдельных структурных компонентов ДОС: участка связи, блока фиксированных фазосдвигателей, корректирующей и излучающей линз с принудительным преломлением.

Разработаны алгоритм и программные средства для параметрического синтеза интегральной ДОС в целом. Проведены оптимизация и синтез структуры ДОС на топологическом уровне. Осуществлены натурные испытания макета ДОС и интегральной МА в целом на частотах 32…39 ГГц. Аналитические и численные результаты исследования свойств ДОС сравнивались с результатами натурных испытаний макета и данными других авторов. Сравнение подтвердило правильность основных принципов построения ДОС и показало возможность их использования для создания сквозной компьютерной технологии проектирования интегральных ДОС МА квазиоптического типа диапазона крайне высоких частот.

Ключевые слова: диаграммообразующая схема, многолучевая антенна, линза с принудительным преломлением, решетка интегральных волноводов, коэффициент отражения, дифракция, диаграмма направленности, амплитудно-фазовое распределение.

Summary

Bugrova T.I. Quasioptic integrated beam forming circuits for mulibeam antennas of millimeter waves.

Thesis for the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.12.07 - Antennas and microwave devices. - Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2009.

The methods of analysis and parametric synthesis of beam-forming circuits (BFC) on the basis of integrated periodic arrays of thin metallic strips for multibeam super-high frequency antennas were investigated in this thesis.

The spectral and diffraction problems for the BFC basic structure of metallic-dielectric array of thin strips with arbitrary spatial period were formulated in strict electrodynamic formulation and solved by numerical-analytical method. The spatial dispersion of the main array mode and the nearest high type ones upon electrophysic and geometric parameters were obtained, as well as transform factor and surface strip impedance behavior.

The analogy with phenomenological theory of coupled transmitting lines was detected. The simple expressions for linear couple factor between integrated waveguides and reflectance factor for array main mode were obtained. Rather good agreement between dielectric plane and thin metal strips array was found in the wide range of incidence angles and structure geometric parameters.

The extent of orthogonality between the neighbouring channels of multibeam antenna was analytically obtained. It is nearby 1.1%.

For the structure components of BFC (coupling zone, fixing phase shifters, correcting and illuminating lenses with compulsory refraction) mathematical models were obtained.

Keywords: beam-forming circuit, multibeam antenna, lens with compulsory refraction, integrated waveguide array, reflectance factor, diffraction, radiation pattern, amplitude-phase distribution.

Размещено на Allbest.ru

...