Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевых АФАР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Фирсов-Шибаев, Денис Олегович

• Фирсов-Шибаев, Денис Олегович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Фирсов-Шибаев, Денис Олегович

Оглавление

Введение

Современное состояние вопроса и актуальность темы

Выбор и обоснование метода исследования

Основные задачи диссертационной работы

Научная новизна

Практическая ценность

Внедрение

Апробация

Содержание работы

Глава 1. Многолучевые антенные решетки

1.1 Схемы построения многолучевых антенных решеток

1.2 Многолучевые антенные решетки на основе параллельной ДОС

1.3 Многолучевые антенные решетки на основе последовательной ДОС

1.4 Антенны на многомодовых волноводах

1.5 Линза Руза

1.6 Линза Гента

1.7 Линза Ротмана в качестве диаграммообразующего устройства

1.8 Многолучевая линза Максвелла

1.9 Линза Микаэляна

1.10 Линза Люнеберга

1.10 Квазиоптическая линза Климова

1.11 Выводы

Глава 2. Геометрическая интерпретация синтеза квазиоптической распределительной системы для многолучевых фазированных антенных решёток

2.1 Структура линзовой системы

2.2 Постановка задачи

2.3 Переход к геометрическому решению задачи

2.4 Геометрическое построение положений приемных зондов ZX-ZN

2.5 Лемма - свойство эллипса

Доказательство леммы

Следствие свойства эллипса

2.6 Условие по углу направления луча

2.7 Условие по минимизации средней ошибки

2.8 Условие по минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры

2.9 Пример построения линзы

2.10 Выводы

Глава 3. Моделирование Н-плоскостной распределительной

системы во временной области

3.1 Результаты моделирования распределения электрического поля во временной области

3.2 Результаты моделирования сигналов, отраженных от входов

3.3 Результаты моделирование по развязкам входов распределительной системы

3.4 Результаты моделирования распределения амплитуд и фаз для стационарного режима

3.5 Выводы

Глава. 4. Возбудитель для распределительной системы оптического типа

4.1 Постановка задачи

4.2 Расчет волнового импеданса поглотителя

4.3 Моделирование возбудителя в программе Ansoft HFSS

4.4 Экспериментальные исследования

4.5 Выводы

Глава 5. Моделирование Е-плоскостного частотного

мультиплексора

5.1 Постановка задачи

5.2 Моделирование первого частотного диапазона

5.3 Выводы

Глава. 6. Дискретный фазовращатель на p-i-n диодах

6.1 Проектирование пассивной части дискретного фазовращателя

6.2 Проектирование активной части дискретного фазовращателя

6.3 Моделирование прохождения короткого импульса через секцию фазовращателя

6.3 Выводы

Заключение

Список литературы

Список докладов на конференциях

Список научных работ

Список учебно-методических работ

Акты внедрений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевых АФАР»

Введение

Современное состояние вопроса и актуальность темы

Актуальность создания многолучевых антенн АФАР связана с развитием систем радиолокации, связи и средств контроля радиоэлектронной обстановки. Многолучевые антенны обеспечивают увеличение емкости радиосетей при улучшенной спектральной эффективности и более высоком качестве обслуживания пользователей.

Многолучевая АФАР имеет многолепестковую диаграмму направленности. Обычно она имеет несколькими независимых входов и выходов, каждому из которых соответствует своя диаграмма направленности - свой луч. Многолучевая АФАР осуществляет параллельный обзор пространства, т.е. в пространстве одновременно формируется множество лучей, расположенных дискретно в секторе сканирования. Сигналы, поступающие на АФАР с различных направлений, могут быть разделены и переданы на различные порты антенны, т. е. разделены в пространстве.

Предметом исследования диссертационной работы является диаграммообразующая система (ДОС). ДОС является основным и одним из самых дорогостоящих звеньев в многолучевой антенной решетке. Ее задачей является формирование амплитудно-фазового распределения (АФР) на входах излучателей антенной решетки. Для увеличения коэффициента направленного действия (КНД), а следовательно и коэффициента усиления антенной системы (КУ) необходимо минимизировать в основном фазовые ошибки в фазовом распределении. Поэтому создание методики синтеза

диаграммообразующей системы оптического типа, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении для многолучевых АФАР является актуальной темой.

Выбор и обоснование метода исследования

Общая методика исследования заключалась в применении законов геометрической оптики для геометрической интерпретации синтеза ДОСОТ, а также в использовании уравнений Максвелла для разработки численных процедур, описывающих методику синтеза диаграммообразующей системы оптического типа.

Основные задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является создание методики синтеза на основе геометрооптического приближения диаграммообразующих систем оптического типа для многолучевых АФАР, минимизирующей фазовые ошибки в фазовом распределении.

Теоретическая часть

Разработка геометрической интерпретации методики синтеза диаграммообразующей системы оптического типа, на основе законов геометрической оптики.

Практическая часть

Разработка численных процедур, реализующих методику синтеза диаграммообразующей системы на основе законов геометрической оптики.

Внедрение разработанных численных процедур в инженерную практику при проектировании диаграммообразующих систем.

Научная новизна

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:

1. Развита методика синтеза диаграммообразующих систем оптического типа на основе законов геометрической оптики.

2. Найдены аналитические выражения, позволяющие оценивать габаритные размеры диаграммообразующей системы оптического типа для многолучевых АФАР.

3. Найдены аналитические выражения для угла отклонения луча системы ДОСОТ АФАР.

4. Найдены аналитические выражения для определения оптимального положения передающих зондов, минимизирующие средние и максимальные фазовые ошибки.

5. Разработанная ДОСОТ промоделирована на электродинамическом уровне с использованием универсальных электродинамических программ в стационарном и переходном режимах.

Практическая ценность

Предложенная методика позволяет эффективно решать задачи синтеза диаграммообразующих систем для многолучевых АФАР. Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика позволяет уменьшить время разработки, снизить затраты, уменьшить габариты и массу конечно изделия. Кроме того, данная методика была реализована в вычислении местоположения зондов, что позволило эффективно синтезировать ДОСОТ при произвольном масштабировании с учетом конструкторско-технологических требований.

Внедрение

Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и производства ОАО «НПО ЛЭМЗ». Результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП; результаты диссертационной работы были использованы при проектировании пяти лучевой диаграммообразующей системы оптического типа для формирования суммарно-разностной диаграммы направленности приемной антенной решетке ВВО-АП.

Выпущены методические указания к лабораторным работам, разработаны и внедрены в учебный процесс на кафедре "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" МИЭМ НИУ ВШЭ вычислительные процедуры, реализованные на программном комплексе МаШСАО, которые используются при проведении лабораторных работ по курсу "Техническая электродинамика" в 7, 8 семестре для групп по специальности 211000 "Конструирование и технология электронных средств".

Апробация

Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на:

• 18-ой Международной студенческой конференции-школе-семинаре «Новые информационные технологии», Крым, 2010 г.

• Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2009 - 2012 г. г.

По теме диссертации опубликовано в соавторстве 2 статьи в журнале "Антенны", 1 в "Радиотехнике и электронике", 2 монографии в издательстве "Lambert Academic Publishing часть материала была использована в методических указаниях к лабораторным работам, выпущенных на кафедре РЭТ МИЭМ НИУ ВШЭ.

Содержание работы

В первой главе излагаются: обзор по существующим методикам построения систем диаграммообразования многолучевых антенных решеток (MAP). Представлены последовательные, параллельные схемы и диаграммообразующие системы оптического типа.

Во второй главе разработана методика и вычислительные процедуры для построения диаграммообразующей системы оптического типа. Разработана методика по нахождению местоположения приемных и передающих зондов с учетом двух критериев: с учетом минимизации локальной фазовой ошибки на границе апертуры; с учетом минимизации средней фазовой ошибки.

В главе представлен пример построения линзы как диаграммообразующей системы оптического типа для 5-лучевой АФАР. Проведены численные процедуры по нахождению местоположений зондов с учетом двух вышеописанных критериев. Показана возможность построения линзы с усредненным критерием для увеличения надежности при изготовлении. Даны сравнительные характеристики построенных линз и построены диаграммы направленности.

В третьей главе проведено моделирование диаграммообразующей распределительной системы оптического типа

во временной области. Это позволило получить результаты для переходных процессов в линзе.

В четвертой главе рассмотрен пример моделирования возбудителя для диаграммообразующей системы оптического типа. Представлен расчет поглощающего материалы для изготовление стенок линзы. Показаны частотные характеристики полученной модели.

Пятая глава показывает пример построения сверхширокополосного ^-плоскостного частотного мультиплексора оптического типа, осуществляющего частотное деление сигнала с одного входа на 3-х частотных диапазона на соответствующие три выхода.

В шестой главе спроектирован пятиразрядный дискретный фазовращатель на р-ьп диодах на основе двухшлейфного моста.

В заключении представлены выводы, которые можно сделать'по результатам изложения содержания диссертационной работы.

а

Глава 1. Многолучевые антенные решетки

1.1 Схемы построения многолучевых антенных решеток

Многолучевые антенны (МА) представляют собой устройства, способные формировать в пространстве несколько диаграмм направленности (ДН), каждой из которых соответствует свой отдельный канал антенны [1]. Такие антенны могут применяться как самостоятельные передающие или приемные устройства, но чаще используются в составе сложных антенн, например, фазированных антенных решеток (ФАР). МА имеют большие функциональные возможности, так как обеспечивают параллельный обзор пространства в широком секторе углов с высокой степенью разрешения, допускают одновременное сканирование несколькими независимыми лучами, а так же допускают управление формой ДН антенны, расширение сектора однолучевого сканирования ФАР и т.п.

Рис. 1.1. Структурная схема МА

Структурная схема МА, изображенная на рис. 1.1, включает в себя излучающую часть, которая может быть выполнена в виде решетки излучателей или раскрыва рупорной антенны,

диаграммообразующее устройство (ДОУ) - основной элемент функциональной схемы, предназначенный для создания требуемых амплитудно-фазовых распределений (АФР) поля в излучающей части, и входы антенны в виде поперечных сечений линий передачи с единственным распространяющимся типом волны.

1 4

13 2 4

Рис. 1.2. Формирование соответствующих ДН входам МА

При возбуждении электромагнитных волн на каком-либо из входов МА в пространстве формируется соответствующая этому входу ДН (рис. 1.2). Работа МА в режиме приема подразумевает, что часть энергии плоской волны, падающей из направления, соответствующего максимуму одной из ДН, собирается на соответствующем входе антенны. Если при этом на остальных входах МА электромагнитные колебания практически отсутствуют, то говорят, что входы этой МА развязаны.

Классификаций МА можно привести достаточно много, одна из возможных таких классификаций разделена на основе различных критериев. Эти критерии условно можно подразделить на две группы. Первая группа включает в себя общесистемные и антенные критерии, например, функциональное назначение МА в системе, динамика и способы формирования луча. Вторая - критерии, определяющие способы схемного построения МА. Так, можно выделить два крупных класса МА по способу реализации излучающей части: апертурные и решетки. На рис. 1.3 приведены схемы построения апертурных антенн. [4]

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Фокальная плоскость

Рис. 1.3. Апертурные МА: а) на основе замедляющей линзы; б) на основе линзы Люнеберга;

в) на основе зеркально-параболической антенны; г) на основе зеркально-параболической антенны с вынесенными

облучателями; д) на основе двухзеркальной антенны; е) на основе параболического отражателя типа «песочные часы»

Диаграммообразующее устройство апертурных антенн представляет собой совокупность облучателей и зеркала или линзы. Облучатели, вынесенные из фокуса зеркала или линзы, формируют ДН, отклоненные от нормали к апертуре. Достоинства оптических МА - это простота конструкции и возможность формирования ДН с малыми боковыми лепестками. Недостатки же таких антенн — низкий

уровень пересечения соседних лучей, малое значение коэффициента использования поверхности (КИП), громоздкость, большая масса.

Для второго класса MA - МА с решеткой излучателей диаграммообразующее устройство выполняется в виде диаграммообразующей схемы (ДОС) матричного типа. В настоящее время известно большое число ДОС для МА на решетках (MAP). Наибольшее распространение получили MAP на основе параллельной (матрица Батлера) и последовательной (матрица Бласса) ДОС (рис. 1.5). Преимущества MAP, построенной на основе матрицы Батлера (рис. 1.5, а), заключаются в возможности составления ДОС из одинаковых восьмиполюсных делителей мощности, например мостов, и набора фиксированных фазовращателей (ФВ). Однако, эта особенность параллельной ДОС предопределяет и ряд недостатков, а именно: невозможность реализации на ней амплитудных распределений специальной формы, обеспечивающих низкий уровень боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности, необходимость использования числа излучателей, определяемое целой степенью числа 2, а так же частотно-зависимое положение лучей в пространстве. Некоторые из этих недостатков можно устранить, используя матрицу Бласса (рис. 1.4, б), которая позволяет формировать веер ДН при произвольном числе излучателей и входных каналов антенны. Направления лучей могут быть независимыми от частоты. Наличие тепловых (диссипативных) потерь позволяет создать развязку входных каналов МА за счет уменьшения КПД. Модифицированная матрица Бласса получается, если число излучателей в МА совпадает с числом входов матрицы, и при этом исключаются поглощающие нагрузки (рис. 1.4, в).

а)

ф21 тсгг

ф22 СлГ

ф31

~шг

ф32

ф23

б)

фп ф 12 ф13 ф14

/ Си Cl2 С13

s / /

в)

Рис. 1.4. Схемы MAP на основе матричных ДОУ:

а) четырехлучевая антенна на основе ДОС Батлера;

б) трехлучевая антенна на основе ДОС Бласса;

в) четырехлучевая антенна на основе модифицированной ДОС

Бласса; 16

Реализация различных фазовых распределений в МА с последовательной ДОС достигается путем изменения углов наклона горизонтальных линий передачи (рис. 1.4, б) или применением фиксированных ФВ (рис. 1.4, в).

Общий недостаток MAP на основе матричных ДОС - большое число направленных ответвителей (НО), фиксированных ФВ, входящих в состав ДОС, а так же сложность разветвленной фидерной схемы. Число НО зависит от числа формируемых лучей (каналов) N. Для полной и модифицированной схем Бласса

(N2-N) N Мм = N2,Мм = -—--; для матрицы Батлера Мм = (log2 N) • —.

N

Число ФВ для матрицы Батлера Мф = (log2 N -1) —.

Антенны, содержащие в своем составе ДОС на основе линий передач с несколькими типами распространяющихся волн, называют многомодовыми. Управление формой и положением ДН в таких антеннах, а также формирование веера ДН осуществляются изменением амплитуд и фаз волн, распространяющихся по многомодовой линии передачи. Многомодовые антенны состоят из отрезка многомодового волновода и устройства возбуждения в нем волн. Оставшийся открытым конец многомодового волновода является излучающей частью такой антенны.

Рис. 1.5. Конструкция четырехлучевой МА на основе прямоугольного многомодового волновода. 1 - входы; 2 - излучающий раскрыв На рис. 1.5 представлена упрощенная конструкция антенны на основе прямоугольного волновода с волнами Н„о. Многомодовый волновод в этом случае преобразует последовательность АФР поля в раскрыве, соответствующую вееру ортогональных лучей, в последовательность сфокусированных распределений поля возле металлических перегородок. Каждое из таких сфокусированных распределений поля в этой последовательности определяет амплитуду волны Н]0 на соответствующем входе антенны. Определяющим применение многомодовых антенн недостатком является быстрое увеличение продольного размера с увеличением числа лучей.

1.2 Многолучевые антенные решетки на основе параллельной ДОС

Основными элементами параллельной ДОС являются мосты,

отрезки линий передачи и статические ФВ. Число входов в

невырожденной схеме равно числу излучателей. Схемы антенн с

большим числом лучей приведены в [1]. Двухлучевая ДОС (рис. 1. 6,

а) состоит из одного моста. Входам 1 и 2 по (1.3) соответствуют

фазовые распределения 0, -тс/2 и —я/2, 0. Таким образом, создается два

18

широких луча, симметрично отклоненных от нормали. Четырехлучевая ДОС (рис. 1.6, б) отличается от аналогичной схемы тем, что вместо пересечений линий передач использованы НО, что конструктивно более удобно. Так же дополнительно включены фазовращатели на 180°, которые компенсируют разницу фазового сдвига волн, проходящих через НО с полной связью и линию передачи одинаковой с НО длины (рис. 1.7).

Фазовые распределения поля в решетке при возбуждении различных входов ДОС приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Номер входа Фазы волн в излучателях, град. Разность фаз между излучателями, град.

II III IV

1 35 90 45 0 -45

2 5 180 -45 90 +135

3 0 -45 180 45 -135

4 45 90 135 +45

Амплитудные распределения для всех каналов параллельной ДОС формируются равномерными. Диаграммы направленности такой МА будут ортогональными, а все каналы развязаны и согласованы. Достоинством матрицы Батлера является широкополосность, как следствие равенства геометрических путей от входов к излучателям. Также следует отметить, что число элементов параллельной ДОС минимально по сравнению с другими ДОС, собранными по матричным схемам. Описать ДН можно формулой:

^(9,Ф) = ^(8,Ф) ■ •51п9 + ф«)/2], (1. 1)

где фя определяется из (1.3).

-90е

3 дБ

Y Y

V

ф -180°

ф -180°

-3 дбХ

X

0 дБ

-3 дБ><

-ЗдБХ

ф X ф

-225° -225°

О дБ

-3 дБ><

б)

Рис. 1.6. Схемы MAP на параллельной ДОС а - для двухлучевой антенны б - для четырехлучевой антенны

ф

Ф +180

Ф +180°

Рис. 1.7. Фазовые соотношения в НО с полной связью и в

отрезке

регулярного волновода

В параллельной ДОС КПД не может быть единицей из-за тепловых потерь в элементах и неидеальности мостов. Так КПД, обусловленный тепловыми потерями определяется следующим выражением:

где а - коэффициент затухания волны в линии передачи; 5 -число длин волн, укладывающихся между соседними по высоте мостами, ближайшими к входам ДОС (см. рис. 1.6, б). Вычисление КПД по формуле (1.2) будет верно также в случае плоской прямоугольной MAP, если в качестве М взять половину числа излучателей, укладывающихся по периметру антенны.

/ ^ _\

г|777 =ехр---аМ • л/255 + 16 ,

(1.2)

А 4-4

Р\ + Р2+ Р3 + Р4 Рис. 1.8. К определению направленности моста V.

КПД параллельной ДОС, с учетом неидеальной направленности мостов V можно вычислить используя следующую формулу:

1 + V

1с^2 М

(1.3)

При этом направленность определяется как отношение мощности Р4, проходящей в плечо 4 моста, к мощности Р2, просачивающейся в плечо 2 при возбуждении плеча 1 (рис. 1.8): V = /уРг- Для мостов, используемых на практике, направленность обычно находится в пределах 15 ... 30 дБ.

В итоге вычисление полного КПД сводится к вычислению значения :

Л = Л777

(1.4)

1.3 Многолучевые антенные решетки на основе последовательной ДОС

Общий вид схемы MAP на последовательной ДОС изображен на рис. 1.9. В ней можно выделить: 1 - горизонтальные линии передачи, 2 -объединенные НО с вертикальными линиями передачи 3, нагруженными на решетку излучателей 4. В разрывах вертикальных линий передачи включены ФВ 5. Для развязки входных каналов применяют согласованные нагрузки 6 вертикальных и горизонтальных линий передачи. Обеспечение требуемых АФР поля в излучателях MAP , которые определяют формируемый веер ДН, достигается выбором коэффициентов связи НО и фазовых сдвигов, вносимых ФВ. С ростом числа излучателей и входов МА ее размеры и потери в линиях растут медленнее, чем в параллельной ДОС. Для матрицы Бласса соотношение числа входных каналов (лучей) N и числа излучателей М может быть произвольным. Число ортогональных ДН, формируемых линейной М определяется из соотношения: N < Ent(2Z,/A,) + 1, где L - линейный размер антенны в плоскости формирования лучей; Ent(x) - целая часть числа х.

Рис. 1.9. Обобщенная принципиальная схема MAP на основе ДОС

Бласса:

1 - горизонтальные линии передачи; 2 - НО; 3 - вертикальные линии передачи; 4 - излучатели; 5 - фазовращатели; 6 - поглощающие

нагрузки.

Определить значения коэффициентов связи НО и фазовых сдвигов, вносимых ФВ, можно расчетным путем. Для линейных антенных решеток известные АФР поля в излучателях представляют в виде М-мерных векторов-столбцов:

Последовательность таких векторов-столбцов определяется из требований к ДН антенны. ФВ и направленные ответвители первого канала антенны рассчитываются, как для линейной ФАР с последовательным возбуждением излучателей. А именно, коэффициенты связи (переходное затухание) НО рассчитываются следующим образом:

(1.5)

а,

п

2

си=\аи\2> ст\ =—-' т = 2,3,...,М .

И ~|"11| '

т\

(1.6)

-1С А

О

1

л/Гс1

О

О

о

Рис. 1.10. Объяснение амплитудно-фазовых соотношений на

входах НО 25

Фазовые сдвиги ц>т\, вносимые ФВ первого канала, зависят от фаз \|/И1, амплитуд ат\ волн в излучателях, фазовым сдвигом -7г/2, вносимым НО, а также набегом фазы в горизонтальной линии передачи, соединяющей излучатели (рис. 1.10):

Фт1 =Vm\ +k-y-d-(m-l) + n/2, (1.7)

где у - коэффициент замедления фазовой скорости в линии передачи.

После того, как определены элементы первого канала, можно пересчитать векторы столбцы ап (п > 2) во второе сечение схемы (рис. 1. 9), а затем рассчитать сами элементы второго канала. Подобный вычислительный процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будут определены все элементы схемы. Для математического описания алгоритма удобно обозначить векторы-столбцы в различных сечениях схемы через а\р с элементами а\Ц, где j - номер сечения схемы; т - номер вертикальной линии передачи в j-ы сечении; n>j — номер ДН и соответствующего ей входа ДОС. Тогда связь вектора-столбца а\р с вектором-столбцом a\j+v> выглядит:

а^ =Ти) ■ а\!+х\ (1.8)

где - квадратная матрица передачи порядка М из (/+1)-го сечения схемы в (/)-е. Элементы этой матрицы определяются по

известным элементам а\р и из геометрии ДОС:

РЯ

ехр{1\аг%(а$) + (д-\)-к-у-(1-п/2§ прир > д;

О при р { д;

1 р вФ У

1 -Е

5 = 1

•1 Р-1 а{0 5/

1 "I

5 = 1

- ехр{г • [а^(а^) + (р -1) • к • у • (Л + 71/2]} при р

(1.9)

Таким образом, при учете обстоятельства, что матрица Т® неособенная, можно из (1. 9) вывести формулу пересчета векторов-столбцов из ^го сечения схемы в 0+1 )-е:

«Г'=ИГ-^-

ало)

Следовательно, коэффициенты связи НО вычисляются из соотношений:

2

т = 2,3,..., Л/, (1.11)

а

(п)

2 "тп

; С ~

' ^тп т-1

1- Е а

5=1

1{п)

а вносимые ФВ п-го канала фазовые сдвиги определяются выражениями:

Ф*и =агё(а2) + (т-1)-Лг-у.^ + тг/2.

(1.12)

Ортонормированной последовательностью векторов-столбцов в излучателях, определяющей АФР, будет являться последовательность удовлетворяющая следующему соотношению:

1 при т-п; О при тФп\

(1.13)

Для такой ортонормированной последовательности матрицы передачи Т^ унитарны для всех у. Следовательно, (1.10) существенно упрощается, так как операция обращения матрицы исключается:

При этом КПД каждого канала антенны максимален и равен единице, т.е. в согласованных нагрузках, имеющихся в составе ДОС, мощность не поглощается. Поэтому их обычно исключают из состава ДОС, что приводит к модифицированной схеме Бласса, изображенной на рис. 1.4, в. Элементы такой ДОС рассчитываются аналогично с использованием (1.14), причем матрицы Т® являются прямоугольными.

1.4 Антенны на многомодовых волноводах

У антенны, построенной на основе прямоугольного многомодового волновода с волнами Нпо (рис. 1.11), входы 1 образуются в результате разделения внутренней полости волновода металлическими перегородками 3. Излучающая часть представляет собой оставшийся открытым конец 2 волновода. Сама ДОС выполнена в виде волновода, разделенного внутри металлическими перегородками. Индекс г на рисунке определяет номер разделения многомодового волновода (г = 0, 1, 2, ...,/?). Число входных каналов антенны N. Для примера, изображенного на рис. 1.21 N=2*, К=3. Размеры аг поперечного сечения волновода в г-м разделении и число Мг распространяющихся в этом волноводе волн определяются числом входных каналов N и толщиной / металлических перегородок:

+

аи+1) = Ти).аи\

(1.14)

аг=2{к~г) -аг + (2{к~г)

(1.15)

Мг=ВШ(2аг/Х), (1.16)

где 0,6 -Х < ая < 0,9 -X, - размер широкой стенки входных волноводов; Еп^х) - целая часть числа х.

г = 0

г= 1

г = 2

г = 3

1 3

Рис. 1.11. Продольное сечение МА на основе прямоугольного многомодового волновода: 1 - входы антенны; 2 - открытый излучающий конец многомодового волновода; 3 - металлические перегородки.

При поступлении плоской волны из свободного пространства на открытый конец волновода АФР поля в раскрыве будет определяться как суперпозиция полей, распространяющихся по волноводу волн. Для больших размеров раскрыва (ао < 1,5 А,) амплитудное распределение с достаточной степенью достоверности можно считать равномерным, а фазовое - линейным. Поэтому в первом приближении при падении плоской волны из направлений, соответствующих максимуму ортогональных ДН, АФР поля в раскрыве Е„(х) = ехр(/ •к-уп'х), где 0 < х < а0 - поперечная координата (см. рис. 1.11); к-уп определяет наклон п-го фазового распределения поля, соответствующего п-й ДН. Значения у„ определяются из условия ортогональности поля. Для симметричного относительно нормали к антенне веера ДН при четном числе лучей у„ = 2тvn/k-ao, п = 0, ±1, ±2,..., ± {N-1)12. Соответственно для таких АФР диаграммы направленности вычисляются по формуле:

(1.17)

ка0 •sin(0-yiJ)/2

где сомножитель Fq(Q) определяет направленные свойства элемента поверхности раскрыва (элемента Гюйгенса).

Расстояние z0 от апертуры до первого разделения многомодового волновода металлическими перегородками можно найти, решая систему неравенств:

\кт0 ± (т0 -1) ■ п/2 - Хо| < V • (mod 2ти), т0 = 1,2,...,М0. (1.18)

где кт о = к • ^1-(т0Х/2а0)2 - продольная постоянная распространения волн Ящ0 в волноводе с г = 0; |3 - фазовая ошибка,

определяющая точность решения системы неравенств и среднюю по ансамблю решений системы (1.18) развязку входных каналов антенны. Одинаковый для всех волн фазовый сдвиг Хо определяется выражением:

Ярд - величина средней мощности, проходящей на р-й вход антенны при возбуждении д-го входа волной единичной мощности:

Выбор знака в соотношениях (1.18) и (1.19) происходит из соображений получения минимального значения го.

Многомодовый волновод длиной го преобразовывает последовательность ортогональных распределений поля в раскрыве, соответствующую вееру ортогональных ДН, в последовательность ортогональных сфокусированных распределений. Каждое из таких сфокусированных распределений в этой последовательности локализуется в правой или левой половине многомодового волновода. Последующие участки многомодового волновода, образованные металлическими перегородками, осуществляют дальнейшую фокусировку распределений и сведение их к входным каналам антенны. Длины этих волноводов определяются из решения системы неравенств:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фирсов-Шибаев, Денис Олегович, 2013 год

Список литературы

1. B.C. Филиппов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др. Антенны и устройства СВЧ, под ред. Д.И. Воскресенского 2-е изд, М.: Радио и связь, 1994.-592 с.

2. С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др. Справочник .по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств, под ред. В.И. Вольмана, М.: Радио и связь, 1982. - 328 с.

3. Johns Р.В., Beurle R.L. Numerical solution of 2-dimension scattering problems using a transmission-line matrix. // Proc. Inst. Elec. Eng., vol. 118, pp. 1203-1208, Sept. 1971.

4. Ruze, J. Wide-Angle Metal-Plate Optics. Proceedings of the IRE, Volume 38, Issue 1, Jan. 1950, pp. 53 - 59

5. А.Г. Шубов, В.В. Денисенко, А.В. Майоров, А.И. Шалякин, А.В. Шишлов Опыт разработки линз Ротмана для различных частотных диапазонов. Антенны, вып. 6 (52), 2001 г, стр. 23-27.

6. W. Rotman, R.F. Turner Wide-angle microwave lens for line source applications. IEEE Transactions on antennas and propogation, November 1963, pp. 623-632.

7. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. M.: 1973, С. 149—150.

8. А. Л. Микаэлян Применение слоистой среды для фокусирования волн. Доклады Академии Наук СССР, 1951, Том LXXXI, №4.

9. Хансен Р. Сканирующие антенные системы СВЧ, М.: Советское Радио, 1966г.

10. Ruze, J. Wide-Angle Metal-Plate Optics. Proceedings of the IRE, Volume 38, Issue 1, Jan. 19M0, pp. M3 - M9

11. Я. Gent. The bootlace Aerial. Roy. Radar Establishment J., pp. 47-M7, October 19M7.

12. W. Rotman, R.F. Turner Wide-angle microwave lens for line source applications. IEEE Transactions on antennas and propogation, November 1963, pp. 623-632.

13. Butler I., Lowe R., Beam-forming Matrix Simplifies Design of Elecrically Scanned Antennas, Electronic Design, Vol. 9, 1961, IV, №8, P. 170.

14. M. Blass I., Multidirectional Antenna, IRE Internat. Conv. Ree., 1960, pt.l, P. 48.

15. ФрадинА.З.Сканирующие антенные системы СВЧ. - М.: Сов. радио, 1957.-С. 647.

16. АйзенбергГ.З., Ямполъский В.Г., Терёшин О.Н.Антенны УКВ.Т.1.-М.: Связь, 1977.-С. 381.

17. ВоскресенскийД.И.Аш^яшл и устройства СВЧ. - М.: Радио и связь, 1994.-С. 591.

18. Климов К.Н. и др. Патент на полезную модель № 92993 " Квазиоптическая линза Климова". Приоритет 01.12.2009. Регистрация 10.04.2010

19. Федоров H.H. Основы электродинамики.-М. :Высш.Школа, 1980.-399С.

20. Клеммоу Ф., Доуэрти Дж. Электродинамика частиц и плазмы, М.: Мир, 1996.

21. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука,

1974.

22.Ф. Крауфорд. Берклеевский курс физики. Волны. - М.: Наука,

1972.

23. Делоне Б.Н.Аналитическая геометрия. Том 2. - М.: ГИТТ,

1949.

24. Савельев И.В.Курс общей физики, том 3. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. - М.: Наука, 1970.

25. Климов К.Н. и др. Патент на полезную модель № 92993 "Многолучевая приёмная антенна ЛЭМЗ". Приоритет 01.12.2009. Регистрация 10.04.2010

26. Климов К. Н., Гежа Д. С., Фирсов-Шибаев Д. О. Практическое применение электродинамического моделирования при решении инженерных задач. - Saarbrücken, Germany: «LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co ». 2012.

27. Фрадин А.З. Сканирующие антенные системы СВЧ. М.: Сов. радио, 1957.

28. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терёшин О.Н. Антенны УКВ.Т.1. М.: Связь, 1977.

29. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ. М.: Радио и связь, 1994.

30. Хансен P.C. Сканирующие антенные системы СВЧ. T.l. М.: Сов. радио, 1966. С. 535.

31. Климов КН., Сестрорецкий Б.В. II РЭ. 2001.Т. 46. № 3. С.

32. Климов КН. Применение метода импедансных сеток к электродинамическому анализу во временной области двумерных моделей неоднородных, в том числе плазменных сред. Дисс... доктора физ.-мат.наук. М.: МЭИ, 2002 . 245 С.

33. Климов КН., Сестрорецкий Б.В., Вершков В.А. и др. Электродинамический анализ двумерных неоднородных сред и плазмы. М.: Макс Пресс, 2005. С. 322.

34. Сазонов Д. М., "Антенны и устройства СВЧ", Москва, Высшая школа, 1988 г

35. H.H. Федоров II «Основы электродинамики», Москва, «Высшая школа» - 1980.

36. PK 50-2-25 ТУ 16-505.806-81

37. Сазонов Д. М., Гридин А. Н., Мишустин Б. А. Устройства СВЧ.—М: Высшая школа, 1981.

38. ОСТ 107.460007.006-92

39. Банков С. Е., Курушин А. А. Разевиг В. Д. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ структур с помощью HFSS. Под ред. д.т.н., проф. Банкова С.Е. М.: COJIOH-Пресс. 2004.

40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 2005.

41. Вендик О. Г., Парнес М. Д. "Антенны с электрическим сканированием (Введение в теорию)", Москва, "САЙНС-ПРЕСС", 2002.

42. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1987.

Список докладов на конференциях

1. Фирсов-Шибаев Д.О. Использование универсальных ЗО электродинамических программ для моделирования распределительной системы многолучевой АФАР // Тезисы докладов XVIII Международной студенческой конференции-школы-семинара «Новые информационные технологии». 2010. С.135-137.

2. Фирсов-Шибаев Д.О. Моделирование распределения электрического поля распределительной системы 5-лучевой АФАР" во временной области // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2010. С.319-321.

3. Фирсов-Шибаев Д.О. Расчет коаксиального зонда диаграммообразующей системы // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2012. С. 254-255.

4. Фирсов-Шибаев Д.О. Определение погрешности моделирования неоднородной среды методом геометрической оптики // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Москва. 2012. С.277-278.

Список научных работ

1. Фирсов-Шибаев Д.О., Климов К.Н., Гежа Д.С. Возбудитель для СВЧ-распределительной системы оптического типа // Антенны. 2012. №11. С.48-52. (0,4 пл., личный вклад автора 0,35 п.л).

2. Перфильев В.В., Климов К.Н., Фирсов-Шибаев Д.О. Моделирование Е-плоскостного частотного мультиплексора методом геометрической оптики // Антенны. 2012. №8. С.57-64. (0,6 п.л., личный вклад автора 0,4 п.л).

3. Климов К.Н., Фирсов-Шибаев Д.О., Гежа Д.С. Практическое применение электродинамического моделирования при решении инженерных задач. - Lambert Academic Publishing, 2012г., 216 с, (5,4 п.л., личный вклад автора 1,8 п.л).

Список учебно-методических работ

1. Фирсов-Шибаев Д.О. Проектирование звеньев дискретного фазовращателя на основе трехшлейфного моста // Методические указания к лабораторной работе. 2013. НИУ ВШЭ. Москва. 25с.

Акты внедрений

УТВЕРЖДАЮ

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

в учебный процесс МИЭМ НИУ ВШЭ результатов диссертационной работы Фирсова-Шибаева Дениса Олеговича.

Настоящий акт составлен в том, что результаты диссертационной работы аспиранта кафедры "Радиоэлектроники и телекоммуникаций" Московского института электроники и математики "Национального исследовательского университета "Высшая школа экономики" Фирсова-Шибаева Дениса Олеговича, а именно:

1. Выпущены методические указания к лабораторным работам «Проектирование звеньев дискретного фазовращателя на основе трехшлейфного моста» М.: НИУ ВШЭ, 2013.-25с.;

2. Выпущены методические указания к лабораторным работам «Численное построение траекторий лучей в двумерной неоднородной среде методом изоклин» М.: НИУ ВШЭ, 2013.-31с.

Зам. директора по учебной работе,

проф., д.т.н.

Зав. кафедрой РЭТ, проф., д.т.н.

Увайсов С.У.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «КОНЦЕРН ПВО «АЛМАЗ-АНТЕЙ»

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

ЛИАНОЗОВСКИЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОД (ЛЭМЗ)

127411 г, МЬсква, Дмитровское шоссе, 110 Тед: (С»5) 485-13-22,485-1Ш, «ых (091) 485-1«* «-Ш2 Е-тм1. 1етх@кгга Ы1р\\»чт»\1«гахго

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

результатов диссертационной работы Фирсова-Шибаева Д. О. на тему «Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевой АФАР», представленной на соискание ученой степени кандидата технических иаук

Настоящий акт составлен в том, что нижеперечисленные результаты диссертационной работы Фирсова-Шибаева Д. О. на тему «Диаграммообразующая система оптического типа для многолучевой АФАР» внедрены в проектную деятельность НПО «Лианозовский электромеханический завод» при создании СВЧ аппаратуры:

1. Методика синтеза диаграммообразующих систем оптического типа для многолучевых активных фазированных антенных решеток.

2. Методика синтеза суммарно-разностных диаграммообразующих систем оптического типа для многолучевых активных фазированных антенных решеток.

Методики и рекомендации использованы при разработке изделий «ВВО» и «ВВО-

АП».

главный конструктор

изделий «ВВО» и «ВВО-АП», к.т.н

/Колик А.А./