Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Скарлупина, Анна Валентиновна

• Скарлупина, Анна Валентиновна
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Скарлупина, Анна Валентиновна

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введние

Глава 1. Обзор литературных данных и методов исследования

1.1. Анализ и синтез диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением

1.2. Электродинамические методы расчета электрических характеристик элементов и узлов ДОУ

Глава 2. Основные аспекты параметрического синтеза ДОУ на базе микрополосковой линзы Ротмана. Внешние характеристики входных и выходных элементов ДОУ

2.1. Постановка задачи параметрического синтеза ДОУ

2.2. Структура электромагнитных полей в экранированной микрополосковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками и в плоском волноводе

2.3. Соединение микрополосковой линии с соприкасающимися плоскими волноводами

2.4. Входное сопротивление экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод

2.5. Волновое сопротивление и фазовая постоянная микропо-лосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками

2.6. Матрицы передачи и рассеяния входных и выходных элементов ДОУ

Выводы

Глава 3. Определение связи между приемными и передающими элементами

ДОУ

3.1. Диаграмма направленности, коэффициент направленного действия и эффективная поверхность возбуждающих элементов ДОУ

3.2. Коэффициент передачи по мощности между двумя произвольными элементами ДОУ

3.3. Определение положения фазового центра микрополоско-вых рупорных излучателей

Выводы

Глава 4. Определение характеристик волноводно-микрополосковых переходов

4.1. Постановка задачи

4.2. Определение входного сопротивления волноводно-микрополосковых переходов

4.3. Расчет характеристик волноводно-микрополосковых переходов с учетом влияния отверстия ввода

4.4. Определение матрицы рассеяния плоского штыря в прямоугольном волноводе

Выводы

Глава 5. Параметрический синтез ДОУ. Разработка алгоритмов и программ расчета

5.1. Расчет геометрии микрополосковых ДОУ Ротмана

5.2. Матричный метод анализа микрополосковых ДОУ

5.3. Инженерная методика расчета ДОУ

5.4. Расчет основных электрических характеристик ДОУ и MAP. Статистический анализ

Выводы

Заключение

Литература

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электродинамический анализ диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время на мировом рынке антенн отмечается усиление внимания специалистов к проблемам, связанным с созданием антенн для спутниковой связи, миниатюризацией наземных антенных систем, использованием компьютеров для обработки данных, использованием систем для автоматического слежения. Особое значение имеет введение строгого контроля за соответствием качественных характеристик новых технологических разработок стоимости изделий. В связи с этим разработчики антенной техники и специалисты в области радиосвязи проявляют значительный интерес к проблемам создания многолучевых антенных решеток (MAP), обладающих высокими рабочими характеристиками и предельно малыми размерами. MAP могут быть успешно использованы в системах космической связи и спутникового телевидения, в системах связи на движущихся объектах (самолеты автомобили, суда) и т.д.

Предъявляемым требованиям наиболее оптимально удовлетворяют MAP, использующие в своей основе диаграммообразую-щие устройства (ДОУ), относящиеся к классу многолучевых СВЧ линз с принудительным преломлением (линзы Ротмана, Рузе, Р-КР и др.). ДОУ линзового типа является системой с широким полем обзора. Такая система коллимирует с очень высоким качеством все лучи от источника излучения с различными углами падения в широком пространственном секторе углов. В ДОУ линзового типа могут быть реализованы одновременно несколько углов сканирования, образующих коллимированные с высоким качеством лучи. ДОУ на основе СВЧ линзы является более простой и более удобной, чем

фазированная антенная решетка, сканирующей антенной, не требующей никакой математической обработки сигналов отдельных элементов. В линзовых антеннах сравнительно легко создать такое распределение поля по раскрыву, которое обеспечит диаграммы направленности с малыми уровнями боковых лепестков (-30 дБ и ниже). Линзы нетрудно сделать апланатическими, что позволит осуществить качание диаграммы направленности в пределах большого сектора углов. ДОУ линзового типа без перестройки работают в широкой полосе частот. С их помощью нетрудно создать диаграмму направленности заданной формы. Линзы одинаково хорошо работают как на линейно-поляризованной волне, так и на волне с круговой поляризацией.

Наиболее интересными являются многолучевые антенные решетки, использующие в своей основе волноводные и микрополос-ковые разновидности радиочастотной линзы, предложенной Ротма-ном [1]. Такие устройства позволяют достаточно просто создать практически реализуемые конструкции антенн с двумерной многолучевой диаграммой направленности, имеющие оптимальные характеристики в широком секторе углов сканирования и требуемой рабочей полосе частот.

Простейший вариант линзы Ротмана - плоскопараллельная линза - представляет собой плоский объем, на поверхности которого размещены входные и выходные излучатели. Излучение от первичных облучателей, расположенных на фокальной дуге Ъ(±> (рис.1), распространяется между параллельными пластинами к выходным облучателям, образующим задний контур линзы 2 ^ Эти выходные излучатели принимают энергию из области параллельных пластин и

направляют ее в коаксиальные (или полосковые) элементы линзы, от которых, в свою очередь, возбуждается линейная антенная решетка. В ДОУ Ротмана внешняя поверхность линзы- плоскость. В других СВЧ линзах, позволяющих, в частности, осуществлять широкоугольное сканирование луча, вплоть до 360° , выходная поверхность может иметь произвольную форму.

ДОУ рассмотренного типа в общем случае состоит из набора приемных элементов, расположенных вдоль контура Е и набора передающих элементов, лежащих на контуре Х^. Если на один из приемных элементов поступает сигнал, то, благодаря геометрии линзы, передающая антенная решетка излучает узкий луч в направлении, определяемом положением точки возбуждения.

Рисунок 1. Плоскопараллельная линза Ротмана

1- входные рупоры,

2- радиочастотные кабели,

3- антенная решетка.

Основополагающие работы по созданию теории ДОУ были созданы в 50-60-е годы. В основу ее положены методы геометрической оптики (лучевая модель), позволяющие приближенно определить фазовое распределение на выходе линз. Строгие методы расчета амплитудного распределения поля на выходе ДОУ, в особенности для микрополосковой технологии, отсутствуют, поэтому неотъемлемой частью исследования и проектирования таких линз до настоящего времени является экспериментальная отработка. В этой связи разработка строгих электродинамических методов анализа характеристик ДОУ является актуальной задачей.

В современных радиотехнических комплексах число независимых лучей MAP может достигать нескольких десятков. Поэтому при описании характеристик устройства целесообразно использовать матричную теорию. В известной литературе отсутствует решение задачи по определению характеристик ДОУ на уровне построения матрицы рассеяния ДОУ.

Построение матрицы рассеяния многополюсника СВЧ, моделирующего ДОУ, является качественно новой задачей современной техники СВЧ, т.к. требует для своего решения использования методов геометрической оптики при рассмотрении общей структуры устройства и строгих электродинамических методов для расчета характеристик отдельных элементов. Именно с такой точки зрения должно рассматриваться решение ключевых электродинамических задач по расчету матрицы рассеяния СВЧ линз с принудительным преломлением, составляющих основу параметрического синтеза ДОУ.

ЦЕЛЬЮ настоящей работы является разработка строгих электродинамических методов анализа диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением и решение задач их параметрического синтеза.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Разработка эффективных электродинамических методов исследования характеристик микрополосковых ДОУ типа линз Ротмана.

2. Решение основных задач параметрического синтеза ДОУ, включающих в себя:

• определение и оптимизацию внешних характеристик возбуждающих устройств (волновое сопротивление, фазовая постоянная, матрица передачи, матрица рассеяния, коэффициент отражения, коэффициент передачи);

• определение характеристик излучения возбуждающих устройств (диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, эффективная поверхность, фазовый центр);

• определение коэффициента передачи между входными и выхо-дыми элементами и исследование взаимной связи между элементами, обусловленной переотражением электромагнитных волн;

• определение матрицы рассеяния ДОУ и MAP с учетом переотражения электромагнитных волн;

• разработку инженерной методики расчета геометрического профиля линзы и параметров возбуждающих устройств, позволяющих реализовать требуемое амплитудно-фазовое распреде-

ление при допустимых значениях Ке7£^ в заданной полосе частот и минимально возможных размерах.

3. Разработка комплекса программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

4. Определение характеристик волноводно-микрополосковых переходов (ВМП) в приближении заданного тока с учетом влияния апертуры раскрыва микрополосковой линии (МПЛ). Разработка метода, алгоритма и программы расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.

Общая концепция диссертационной работы заключается в создании эффективного электродинамического метода анализа и параметрического синтеза ДОУ на основе СВЧ линз с вынужденным преломлением, решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и создание основ их автоматизированного проектирования.

Практическая значимость такой работы обусловлена низкой точностью выпускаемой радиоизмерительной аппаратуры, сложностью технологии изготовления микрополосковых элементов, не позволяющей достигнуть оптимальных характеристик ДОУ путем экспериментальной отработки. Поэтому высокое качество устройств может быть реализовано только на основе разработки достаточно строгих электродинамических методов расчета характеристик его основных элементов. Разработанные методы и комплекс программ представляют в настоящее время единственную возможность для получения таких характеристик.

Для расчета внешних характеристик входных и выходных элементов ДОУ необходимо создать соответствующие электродинамические модели. Решение поставленной задачи реализуется на основе использования электродинамической модели, при которой расчет таких характеристик возбуждающих элементов, как входная проводимость, диаграмма направленности определяются как для изолированных элементов на основе решения соответствующих дифракционных задач. Решение дифракционной задачи сочленения рупорного перехода с соприкасающимися плоскими волноводами позволяет рассчитать все необходимые электрические характеристики рассматриваемого элемента. В этой связи, необходимо определить структуру электромагнитных полей в экранированной микро-полосковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками, для чего использован метод Шварца. Электромагнитное поле в плоском волноводе рассматривается в терминах ЬЕ- и ЬМ-волн. На основе полученного решения строится расчет входного сопротивления экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод. Расчет волнового сопротивления и фазовых постоянных микрополосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками проводится с помощью метода эквивалентной замены. Построенные электродинамические модели входных и выходных элементов ДОУ позволяют провести расчет внешних характеристик элементов посредством определения соответствующих матриц рассеяния. Метод линейных автономных блоков (ЛАБ), использованный для расчета матрицы передачи рупорного перехода, позволяет избежать численного решения СЛАУ высокого порядка.

Еще одной важнейшей задачей является расчет связи между приемными и передающими элементами ДОУ, включающий в себя исследование характеристик излучения возбуждающих устройств. Электромагнитная связь между входными и выходными элементами определяется как коэффициент передачи мощности между двумя произвольно ориентированными антеннами.

В ДОУ линзового типа необходимо реализовать идеальную фокусировку лучей в нескольких точках. Реально этого можно добиться, только зная фазовые центры излучателей. Используемые на практике экспериментальные методы определения фазового центра рупорного излучателя путем определения его фазовой диаграммы в случае микрополосковой технологии являются малоэффективными, так как требуют решения сложной задачи по определению отражения и рассеяния электромагнитных волн в пространстве между исследуемым излучателем и совокупностью измерительных излучателей-зондов. Поэтому полученное аналитическое решение задачи определения положения фазового центра излучателей на микрополос-ковых линиях с электрическими и магнитными боковыми стенками на основе разложения диаграмм направленности в степенной ряд существенно повышает эффективность разработанного метода параметрического синтеза ДОУ.

Анализ и параметрический синтез многолучевых антенных решеток (MAP) на основе ДОУ реализуется путем построения матрицы рассеяния соответствующего устройства. Поэтому для полноты рассмотрения необходимо решить задачу определения характеристик волноводно-микрополосковых переходов (ВМП), которые могут быть включены в соединительные тракты MAP. Задача опре-

деления характеристик ВМП относится к числу достаточно сложных электродинамических задач. Для определения входного сопротивления ВМП штыревого типа используется приближение заданного тока. Для решения задачи возбуждения, учитывающей влияние диэлектрического вкладыша, использовался метод эквивалентной замены. На основе расчета входного сопротивления мик-рополоскового зонда, возбуждающего согласованный с двух сторон волновод, путем построения соответствующей эквивалентной схемы определены характеристики реальной конструкции ВМП. Для учета влияния отверстия ввода в электродинамическом рассмотрении помимо электрического тока штыря учитывается и магнитный ток в раскрыве сочленения микрополосковой линии и волновода. Разработан также строгий электродинамический метод расчета плоских неоднородностей штыревого типа, который основан на решении интегрального уравнения, полученного из условия обращения касательных к поверхности штыря составляющих полного электрического поля в нуль.

Параметрический синтез ДОУ с оптимальными параметрами реализуется на основе построения матрицы рассеяния устройства, которое представляется в виде каскадного соединения многополюсников. Предлагаемый метод дает возможность анализировать и управлять не только фазовыми, но и амплитудными характеристиками распределения поля на выходе устройства. При этом расчет проводится с учетом реальных характеристик диаграмм направленности излучателей, а также отражения и рассеяния электромагнитных волн в пространстве между входными и выходными контурами. При расчете матрицы рассеяния MAP предусматривается учет многократных переотражений от всех элементов контуров.

СТРУКТУРА РАБОТЫ:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе проведен обзор и краткий анализ существующих методов анализа и синтеза диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением. Сделан вывод о том, что в настоящее время для анализа характеристик ДОУ линзового типа используются методы геометрической оптики, позволяющие приближенно определить фазовое распределение на выходе линз. Отмечено, что строгие электродинамические методы анализа характеристик микрополосковых ДОУ в известных работах практически не рассматривались, либо рассматривались неполно. Сделано заключение об отсутствии решения задачи на уровне построения соответствующей матрицы рассеяния. Второй раздел главы посвящен обзору электродинамических методов расчета электрических характеристик элементов и узлов ДОУ. Показана актуальность и новизна поставленных и решаемых в диссертационной работе задач.

Во второй главе излагаются принципы, лежащие в основе параметрического синтеза ДОУ, и проводится электродинамический анализ его входных и выходных элементов. Предложены электродинамические модели входных и выходных элементов. Определяется структура электромагнитных полей в экранированной микрополос-ковой линии с электрическими и магнитными боковыми стенками и в плоском волноводе. Получено решение дифракционной задачи сочленения полосковой линии с соприкасающимися плоскими волноводами, на основе которого проведен расчет входного сопротивле-

ния экранированной микрополосковой линии, возбуждающей плоский волновод. Проведен расчет волнового сопротивления и фазовой постоянной микрополосковых линий с электрическими и магнитными боковыми стенками, подтвердивший возможность реализации ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. В последней части второй главы приведен расчет внешних характеристик элемента возбуждения ДОУ, реализованный путем построения матрицы рассеяния соответствующего элемента. Дано описание метода ЛАБ, использованного для анализа микрополоскового рупорного перехода, позволяющего эффективно решать дифракционные задачи для устройств, содержащих нерегулярные волноведущие структуры с медленно меняющимися параметрами. Приведены данные расчетов матриц рассеяния и К входных и выходных элементов ДОУ, показавшие принципиальную возможность построения ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. ДОУ с К^ на уровне 1.2-1.Ъ можно реализовать в диапазоне частот 3:1 и более.

Третья глава посвящена решению задач расчета связи между приемными и передающими элементами ДОУ, включающей в себя исследование характеристик излучения возбуждающих устройств (диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, эффективная поверхность, фазовый центр микрополосковых рупорных излучателей), расчет коэффициента передачи между входными и выходными элементами и исследование взаимной связи между элементами, обусловленной переотражениями электромагнитных волн. Расчет связи между приемными и передающими элементами ДОУ проводится с использованием понятий антенной техники на основе решения дифракционных задач для отдельных элементов.

Приведены результаты расчетов. Расчеты положения фазового центра микрополоскового рупорного излучателя показывают, что фазовый центр существенно смещен от раскрыва к горловине элемента. Исследованы зависимости смещения фазового центра от различных геометрических параметров и от рабочей длины волны. Показано, что значения смещений фазовых центров микрополосковых рупорных излучателей с электрическими и магнитными боковыми стенками практически не отличаются друг от друга.

В четвертой главе рассматривается решение задачи определения характеристик волноводно-микрополосковых переходов. Решена задача определения входного сопротивления ВМП в приближении заданного тока. Приведены результаты расчетов входного сопротивления и К^ для различных ВМП. Возбуждающий волновод и МПЛ могут быть расположены как во взаимоперпендикулярных, так и в параллельных плоскостях. Показано, что для перпендикулярной ориентации МПЛ относительно волновода К^ имеет значение не более 1.2 в полосе частот 13- 14%, а для параллельной - в полосе 3540%. Из результатов расчета сделан вывод о том, что оптимальная связь микрополосковой линии с прямоугольным волноводом определяется, в основном, подбором глубины погружения зонда и положением короткозамыкателя. Исследованы электрические характеристики различных ВМП с учетом влияния апертуры. Установлено, что для ВМП с перпендикулярной ориентацией МПЛ учет влияния апертуры существенно сказывается на результатах расчета. Влияние апертуры для ВМП с параллельной ориентацией МПЛ мало ощутимо. Проводится сравнение результатов расчета с проведенным экспериментом. Описан расчет плоских неоднородностей штыревого типа строгим электродинамическим методом с помощью по-

строения обобщенной многоволновой матрицы рассеяния. Проводится исследование сходимости решения.

Пятая глава посвящена заключительному шагу параметрического синтеза ДОУ - описывается расчет ДОУ, включающий в себя определение профиля линзы и геометрических параметров возбуждающих устройств, обеспечивающих требуемое амплитудно-фазовое распределение на выходе ДОУ. Метод основан на построении матрицы рассеяния устройства, которое представляется в виде каскадного соединения многополюсников. Рассмотрена возможность расчета матрицы рассеяния устройства с учетом многократных переотражений от всех элементов контуров. Описана инженерная методика расчета ДОУ, реализующая данный подход, соответствующий программный комплекс. Приведены некоторые результаты анализа ДОУ Ротмана.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в настоящей работе, намечены перспективы дальнейших исследований.

Диссертантом разработаны методы, алгоритмы и программы расчетов, представленные в данной работе. Она составила три комплекса программ: анализ и параметрический синтез диаграммообра-зующих устройств типа линз Ротмана; расчет электрических характеристик волноводно-микрополосковых переходов; расчет обобщенной многоволновой матрицы рассеяния неоднородности штыревого типа. Все приведенные в работе расчеты выполнены с помощью этих программных комплексов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы определяется поставленными задачами, методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Разработаны эффективные электродинамические методы исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением.

2. Решены основные задачи параметрического синтеза ДОУ, включающие в себя:

• определение и оптимизацию внешних характеристик возбуждающих устройств;

• определение характеристик излучения возбуждающих устройств;

• определение матрицы рассеяния ДОУ и MAP с учетом переотражения электромагнитных волн;

• инженерную методику расчета геометрического профиля линзы и параметров возбуждающих устройств, позволяющих реализовать требуемое амплитудно-фазовое распределение при допустимых значениях КсТи в заданной полосе частот и минимально возможных размерах.

3. Разработан комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

4. Решена задача определения характеристик ВМП в приближении заданного тока с учетом влияния апертуры раскрыва МПЛ. Создан соответствующий комплекс программ.

5. Разработан метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.

Отличительная особенность предложенного метода расчета ДОУ линзового типа, по сравнению с известными, является полнота и содержательность подхода, включающие в себя ряд принципиально новых моментов, связанных прежде всего с учетом внешних характеристик входных и выходных элементов, а также их амплитудно-фазовых характеристик излучения. Установлено, что внешние характеристики элементов являются определяющими при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ:

В работе получено решение задач практического конструирования широкополосных ДОУ и заложены основы их автоматизированного проектирования. Разработанные методы и комплексы программ представляют в настоящее время единственную возможность для конструирования микрополосковых ДОУ с оптимальными характеристиками, минуя дорогостоящую и длительную экспериментальную отработку. Использование полученных результатов позволяет создать систему автоматизированного проектирования широкополосных ДОУ линзового типа, обеспечивающую выполнение заказов на проектирование за несколько дней.

Разработанные программы были предназначены для использования в системах автоматизированного проектирования СВЧ элементов и узлов, созданных во ВНИИ «Градиент» и инженерном центре «Электродинамика» (г. Москва).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Методика исследования характеристик микрополосковых ДОУ на основе СВЧ линз с принудительным преломлением. Методика реализации параметрического синтеза ДОУ. Определяющая роль внешних характеристик элементов при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства. Комплекс программ анализа и синтеза ДОУ в составе многолучевых антенных решеток, содержащих произвольные соединительные тракты.

2. Установленные в результате анализа электродинамических характеристик излучателей ДОУ физические закономерности, связанные с зависимостью положения их фазовых центров и значений коэффициентов отражения от частоты.

3. Методика и комплекс программ определения характеристик ВМП в приближении заданного тока с учетом влияния диэлектрической подложки и апертуры раскрыва МПЛ. Метод, алгоритм и программа расчета матрицы рассеяния плоского штыря в волноводе.

4. Установленные закономерности зависимости характеристик ВМП от характера расположения апертуры раскрыва.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание диссертации опубликовано в работах [62-74]. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

1) на областной научно-технической конференции, посвященной Дню Радио, г. Ростов-на-Дону, 1991 г.;

2) на 1-ой Международной студенческой конференции «Физика и прогресс», г. Санкт-Петербург, 1992 г.;

3) на научно-техническом семинаре «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях. Элементная база технологических установок», г. Саратов, 1992 г.;

4) на XXVII научно-технической конференции «Теория и техника антенн», г. Москва, 1994 г.

5) на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1994 г.;

6) на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», г. Саратов, 1996 г.;

7) на VI Международной Научно-технической Конференции «Mathematical Methods in Electromagnetic Theory», г. Львов, Украина, 1996 г.;

8) на Международном симпозиуме «On Applied Electromagnetism», Греция, 1996 г.;

9) на научной конференции аспирантов РГУ, г. Ростов-на-Дону, 1996 г.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Скарлупина, Анна Валентиновна

Выводы

Полученные результаты позволяют достаточно точно реализовать параметрический синтез ДОУ с оптимальными параметрами. Отличительная особенность разработанного метода, по сравнению с известными, - возможность анализировать и управлять не только фазовыми, но и амплитудными характеристиками распределения поля на выходе устройства. При этом расчет проводится с учетом реальных характеристик фазовых диаграмм направленности излучателей, а также отражения и рассеяния электромагнитных волн в пространстве между входными и выходными контурами.

Предлагаемый метод основан на построении матрицы рассеяния устройства MAP, которое представляется в виде каскадного соединения многополюсников. Полученные матрицы рассеяния для ДОУ и соединительных трактов дают возможность рассчитать матрицу рассеяния многолучевой антенной решетки, которая позволяет определить искомый вектор-столбец комплексных амплитуд сигналов на выходе MAP.

Рассмотрена возможность и более строгого расчета матрицы рассеяния MAP: с учетом многократных переотражений между ДОУ и соединительными трактами, а также переотражений от всех элементов контуров.

Инженерная методика расчета ДОУ, реализующая данный подход, по сравнению с известными является более полной и содержательной, т.к. содержит ряд принципиально новых моментов, связанных прежде всего с необходимостью учета внешних характеристик входных и выходных элементов (входное сопротивление, матрица рассеяния элементов, К и т.д.) Установлено, что внешние характеристики элементов являются определяющими при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы, представленные в диссертационной работе, содержат решение ряда научно-технических задач, связанных с проблемой электродинамического анализа и параметрического синтеза диаграммообразующих устройств на основе СВЧ линз с принудительным преломлением.

Ниже сформулированы основные результаты проведенной работы.

1. Впервые разработана целостная концепция и методика электродинамического анализа и параметрического синтеза диаграммообразующих устройств на базе микрополосковой линзы Ротмана. Отличительная особенность разработанного метода, по сравнению с известными, - возможность управлять не только фазовыми, но и амплитудными характеристиками распределения поля на выходе устройства.

2. Созданы электродинамические модели входных и выходных элементов ДОУ. Показана их корректность.

3. Решена дифракционная задача сочленения рупорного перехода с соприкасающимися плоскими волноводами, что позволило провести расчет всех необходимых электрических характеристик возбуждающих элементов.

4. Определено входное сопротивление микрополосковой линии, возбуждающей соприкасающиеся плоские волноводы. Проведены расчеты, показавшие слабую зависимость входного сопротивления в реальных конструкциях ДОУ от длины волны и близость его значения к волновому сопротивлению соответствующей микрополосковой линии.

5. Рассчитаны волновые сопротивления и фазовые постоянные микрополосковых линий, в т.ч. с неоднородным диэлектрическим заполнением, что использовано при определении матрицы передачи возбуждающего элемента.

6. Построена матрица рассеяния входных и выходных элементов ДОУ. Составлена программа расчета, с помощью которой проведено исследование К^ входных и выходных элементов ДОУ. Показана принципиальная возможность построения ДОУ с оптимальными характеристиками в требуемом диапазоне частот. Сделан вывод о том, что ДОУ с К^ на уровне 1.2ч-1.3 можно реализовать в диапазоне частот с перекрытием 3:1 и более.

7.На основе решения дифракционных задач для отдельных элементов проведен расчет связи между приемными и передающими элементами ДОУ в терминах антенной техники. Проведено исследование характеристик излучения возбуждающих устройств: диаграмма направленности, коэффициент направленного действия, эффективная поверхность. Выведены формулы для расчета коэффициента передачи между входными и выходными элементами и взаимной связи между элементами, обусловленной переотражениями электромагнитных волн.

8. Впервые разработан метод, алгоритм и программа расчета положения фазового центра микрополоскового (полоскового) рупорного излучателя. Показано, что фазовый центр микрополосковых рупорных излучателей существенно смещен от раскрыва к горловине. Исследованы зависимости смещения фазового центра от длины рупора, ширины раскрыва и длины волны.

9. Решена задача определения входного сопротивления волноводно-микрополоскового перехода штыревого типа в приближении заданного тока. Разработан алгоритм и комплекс программ расчета входного сопротивления и К^ ВМП штыревого типа, предусматривающий как перпендикулярную, так и параллельную взаимную ориентацию МПЛ и волновода, который позволяет реализовать параметрический синтез ВМП с оптимальной связью. Установлено, что для перпендикулярной ориентации МПЛ относительно волновода К^ имеет значение не более 1.2 в полосе частот 13-14%, а для параллельной - в полосе 35-40%.

10. Проведен расчет характеристик волноводно-микрополосковых переходов с учетом влияния отверстия ввода. Показано, что учет влияния апертуры для ВМП с перпендикулярной ориентацией МПЛ заметно корректирует результаты расчета его характеристик. Для ВМП с параллельной ориентацией МПЛ влияние апертуры сказывается незначительно. Корректность полученных результатов расчета подтверждена экспериментально для случаев, когда отношение широкой стенки МПЛ к широкой стенке волновода не превышает 0.28.

11. Разработан строгий электродинамический метод анализа плоских неоднородностей штыревого типа и алгоритм и программа расчета соответствующей многоволновой матрицы рассеяния.

12. Создан комплекс программ, реализующий анализ и параметрический синтез многолучевых антенных решеток на базе диаграммообразующих устройств типа линз Ротмана. При этом расчет проводится с учетом реальных характеристик фазовых диаграмм направленности излучателей, а также отражения и рассеяния электромагнитных волн в пространстве между входными и выходными контурами. Расчет основывается на построении матрицы рассеяния устройства MAP. Предусмотрена возможность учета многократных переотражений от всех элементов контуров.

13. Отмечена полнота и содержательность реализуемого подхода, содержащего ряд принципиально новых моментов, связанных, прежде всего, с необходимостью учета внешних характеристик входных и выходных элементов устройства. Установлено, что внешние характеристики элементов являются определяющими при оптимизации рабочего диапазона частот и КПД устройства.

Предложенный подход легко может быть обобщен на случай волноводных ДОУ, а также распределительных устройств, содержащих коаксиальные элементы возбуждения.

Перспективы дальнейших исследований заключаются в:

- создании строгих электродинамических методов расчета параметров ДОУ, учитывающих фазовые характеристики излучателей на уровне, исключающем необходимость априорной оценки положения их фазовых центров;

- конструировании таких излучателей, положение фазовых центров которых незначительно изменялось бы от частоты;

- разработка строгих матрично-электродинамических методов расчета характеристик СВЧ-элементов сложной конфигурации, в т.ч. волноводно-микрополосковых переходов с вакуумными СВЧ-окнами, использующих аппарат многоволновых матриц рассеяния.

Результаты диссертационной работы использовались во ВНИИ «Градиент», г. Ростов-на-Дону, и в инженерном центре «Электродинамика», г. Москва.

Автор благодарит своих научных руководителей: доктора физ.-мат. наук, профессора Синявского Г.П. и, в особенности, кандидата физ.-мат. наук, доцента Гальченко Н.А. за постановку задач, помощь в работе и чуткое и внимательное отношение. Она признательна также кандидату физ.-мат. наук, в.н.с. Следкову В.А., кандидату физ.-мат. наук, с.н.с. Рязанову В. за предоставленные результаты экспериментального исследования волноводно-полосковых переходов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Скарлупина, Анна Валентиновна, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Rotman W., Turner R.F. Wide-angle microwave lens for line source applications. ШЕ Trans. AP, 1963, v.AP-11, N6, pp.623-632.

2. Ruze I. Wide-angle metal-plate optics. IRE, 1950, v.38, N1, pp.53-58.

3. Smith M.S. Design consideration for Ruze and Rotman lenses. Radio Electron Eng., 1982, v.52, N4, pp.181-187.

4. Gent H. The bootlace aerial. Royal Radar Establishment I., 1957, pp.47-57.

5. Katagi Т., Mano S., Sato S.I. An improved design method of Rotman lenses. IEE Trans. AP, 1982, v.AP-32, N5, pp.524-527.

6. Smith M.S., Fong A.K.S. Amplitude perfomance of Ruze and Rotman lenses. Radio Electron Eng., 1983, v.53, N9, pp.326-329.

7. Fong A.K.S., Smith M.S. A microstrip multiple beam forming lens. Radio Electron Eng., 1984, v.54, N7-8, pp.318-320.

8. Smith M.S. Multiple beam crossovers for a lens-fed antenna array. J. Inst. Electron Radio Eng., 1985, v.55, N1, pp.33-36.

9. Способ плавного сканирования в многолучевых антеннах. Пат. США, № 4086597, НОЮ, 19.06.1978.

10.Cooper D.N., Cooper B.F.S., Brooks J.W. InterScan quasi-continuous electronic scanning. IREE International Convertion Digest, Sydney, Australia, 1975, pp.244-246.

11.Rojers P. G. Application of the minimum scattering antenna theory to mismatched antennas. ieee Trans., AP, 1986, AP-34, N10, pp. 12231228.

12.Naizi A.Y., Smith M.S., Davies D.E.N. Microstrip and triplate Rotman lenses. Military Microwaves Conference Proceeding, London, UK, 1980, pp.3-12.

13.Ahn H., Hessel A. Mutual coupling in arrays on concave surfaces. IEEE AP-S International Symposium Digest, Los Angeles, California, USA, 1977, pp.206-209.

14.Maybell M. Ray Structure method for coupling coefficient analysis of the two dimensional Rotman lens. IEEE AP-S International Symposium Digest, Los Angeles, California, USA, 1981, pp. 144-147.

15.Rogers P.G. IEE Proc. Antennas and Propagation, 1987, pt. H, Microwaves, N5, pp.449-455.

16.Malloux R.J. Phased array theory and technology. Proc. IEEE, 1982, v.70, N3, pp.246-291.

17.Stark L. Microwave theory of phased arrays - a review. Proc. IEEE, 1974, v.62, N12, pp.1661-1701.

18.Tomasic В., Hessel A. Linear phased arrays of coaxially-fed monopole elements in a palallel plate guide. IEEE AP-S International Symposium Digest, Alluquerque, New Mexico, USA, 1982, pp. 144-147.

19.Tomasic B. Circular array of coaxially-fed monopole elements in a parallel plate guide - theory. Proceedings of IEEE International Symposium on Antennas and Propagation, Kyoto, Japan, 1985, pp.735-738.

20.Wasilkiwskyi W., Kahn W.K. Theory of mutual coupling among minimum scattering antennas. IEEE Trans., 1970, AP-18, N2, pp.204-216.

21.Kahn W.K., Kurss H. Minimum scattering antennas. IEEE Trans., 1965, AP-13, N5, pp.671-675.

22.Отчет НИР по теме «Разработка ряда унифицированных линз Ротмана для MAP», 1985, Шифр «Линза-Р», 194.

23.Корнблит С. СВЧ оптика. //М., Связь, 1980, -359 с.

24.3елкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. // М., Советское Радио, 1974, -271 с.

25.Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование линзовых, сканирующих, широко диапазонных антенн и фидерных устройств. // М., Радио и связь, 1981, -431 с.

26.Parini, Lee-Yow. The Performance of Waveguide Rotman Lens Beam-Forming Networks in the Presence of Mutual Coupling. 5-th Int. Conf. Antennas and Propagation ICAP-87, Heslington, 30 Mar- 2 Apr, 1987, pt.l, London, 1987, pp. 153-156.

27.Линдваль B.P., Минниханов K.M., Щербаков Г.И. Оптимизация геометрии многолучевой бифокальной линзовой антенны. 2-ая Всес. Научно-техн. Конференция «Устройства и методы прикладной электродинамики», 9-13 сен 1991, Тезисы докладов. // М., Моск. авиац. ин-т, 1991, с.159.

28.Hansen R.C. Design trades for Rotman lenses. IEEE Trans. AP, 1991, AP-39, N4, pp.464-472.

29.Chan K.K. Planar waveguide model of Rotman lens. Antennas and Propag. AP-S Int. Symp., San Jose, Calif., Jun 26-30, 1989, Dig. v.2. // New York, 1989.

30.Никольский В.В., Никольская Т.И. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики. // М., Наука, 1983, -304 с.

31.0линер А. Эквивалентные схемы неоднородностей в уравновешенной полосковой передающей линии. В сб. «Печатные схемы сантиметрового диапазона». // М., Изд-во иностранной лит-ры, 1956.

32.Нефедов Е.И., Фиалковский А.Т. Полосковые линии передачи. // М., Наука, 1980, -312 с.

33.Гальченко Н.А., Гальченко Г.А. Метод линейных автономных блоков в теории нерегулярных волноведущих структур. Радиотехника и электроника, 1997, т.42, №10, с.1201-1207.

34.Гальченко Н.А. Обобщенная формулировка задач дифракции электромагнитных волн в теории волноводов. ДАН СССР, 1989, т.309, №6, с.1347-1350.

35.Дубровка Ф.Ф., Степаненко П.Я. Математическая модель осе-симметричной коаксиально-рупорной антенны. Радиотехника и электроника, 1992, т.37, №12, с.2168-2174.

36.Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. // М., Энергия, 1975.

37.Ямпольский В.Г. О фазовом центре рупорных излучателей. В сб. «Антенны», вып. 16. //М., Связь, 1972, с.127-134.

38.Wylde R.J., Martin D.H. Gaussian beam-mode analysis and phasecenters of corrugated feed horns. IEEE Trans. MTT, 1993, MTT-41, N10, pp.1691-1699.

39.Qi Yihong, Li Sifan. Study on the phase center of electromagnetic horns. J. Electron, 1993, N10.

40 .Phase Centers of Horn Antennas Using Gaussian Beam Mode Analysis. IEEE Trans. AP, 1990, AP-38, N8, 1306-1310.

41.Jiao Yongchang, Qi Jihong, Wang Wuty. Optimal model of combined phase center for horn feeds and its computational method. J. Electron, 1991, v.8, N3, c.231-238.

42.Бородулин А.А. Определение фазового центра излучателя по методу наименьших квадратов. Радиотехника, 1958, т. 13, №7, с.67-70.

43.Гридин Ю.И., Лукин А.Н., Струков И.Ф. Метод определения фазового центра антенн. Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, Киев, 1990, т.ЗЗ, №3, с.43-37.

44.Кукаркин А.В., Сорокина М.Ф. Переходные соединители прямоугольных волноводов с микрополосковыми линиями. Обзоры по электронной технике, сер.1 Электроника СВЧ, 1986, вып.8 (1191).

45.Левин Л. Теория волноводов. // М., Радио и связь, 1981, -311 с.

46.Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. // М„ Связь, 1971.

47.Saad S.M. A more accurate analysis and design ofcoaxial-to-rectangular waveguide and launcher. IEEE Trans., MTT, 1990, MTT-38, N2, pp.129-134.

48.Hashemi -Yeganech S., Birtcher C.R. Numerical and experimental studies of current distributions on thin metallic posts inside rectangular waveguides. IEEE Trans., MTT, 1994, MTT-42, N6, pp.1063-1068.

49.Шестак Г.Н. Расчет волноводно-полоскового перехода. Изв. Ленинградского электротехн. ин-та, 1975, вып. 181, с.69-72.

50.Гальченко Н.А., Михалевский B.C., Синявский Г.П. Волноводы сложных сечений и полосковые линии. // Ростов-на-Дону, Изд-во РГУ, 1978, с.175.

51.3axapia Й.А., Клнц О.М., Шшарас Х.Н. Про вплив отвору вводу на вхщний onip штиря прямокутному хвилеводг В1сник Льв1в по-лггехн. ин-ту, 1976, №103, 6-10, 149.

52.Gill H.S. Transition links waveguide and microstrip lines. Microwave and RF, 1994, v.33, N5, c.l 19-120.

53. Kezai Т., Yorst A. V. IEEE Trans., MTT, 1994, v.42, N2, c.223-226.

54.Майстренко B.K., Павлова Г.Д., Радионов A.A. Расчет волновод-но-полосковых переходов. В кн. «Радиоизмерительная аппаратура для решения задач ЭМС РЭС». // Н. Новгород, Нижегор. Гос. Унт, 1991, с.98-104.

55.Майстренко В.К., Радионов А.А. Расчет волноводно-полосковых переходов. Изв. ВУЗов, Радиоэлектроника, 1992, т.35, №3-4, с.68-72.

56.Machac J. E-plane microstrip-to-waveguide transition. Elektrotechn. Cas., 1993, v.44, N5, pp.145-148.

57.Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. // M., Советское радио, 1967, -215 с.

58.Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн. // М., Наука, 1989, -543 с.

59.Сазонов Д.М., Гридин А.Н., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. // М., Высшая школа, 1981, -295 с.

60.Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, Т.1.//М., Связь, 1977, -381 с.

61.Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. // М., Радио и связь, 1988, -440 с.

62.Гальченко H.A., Шишкина A.B. Определение фазового центра микрополосковых излучателей. Тезисы докладов научно-техн. Конференции, посвященной Дню Радио. Ростов-на-Дону, 1991,

С.61.

63.Гальченко H.A., Гальченко Г.А., Шишкина A.B. Математическая модель гофрированных рупорных антенн со сложной формой продольного профиля. Там же, с.62.

64.Гальченко H.A., Гальченко Г.А., Шишкина A.B. Определение фазового центра излучателей микрополосковых диаграммообразую-щих устройств. В сб. «Автоматизированное проектирование устройств СВЧ», МИРЭА. // М., 1991, с.103-109.

65.Шишкина A.B. Разработка методов и алгоритмов моделирования диаграммообразующих устройств. В мат. 1-ой Международной студенческой конференции «Физика и прогресс», Санкт-Петербург, 1992.

66.Гальченко Н.А., Гальченко ГА., Шишкина А.В. Разработка методов и алгоритмов параметрического синтеза диаграммообразую-щих устройств. Тезисы докладов научно-техн. Семинара «Применение СВЧ энергии в технологических процессах и научных исследованиях. Элементная база технологических установок.», Саратов, 1992, с.46.

67.Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Скарлупина А.В. Определение входного сопротивления волноводно-микрополосковых переходов. В сб. «Электродинамические функциональные устройства, линии передачи». // Саратов, 1993, с.4-8.

68.Galchenko N.A., Galchenko G.A., Skarlupina A.V. Electrodynamical theory of microstrip beam-forming networks. В мат. XXVII научно-техн. Конференции «Теория и техника антенн», Москва, 1994.

69.Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Шишкина А.В. Основные аспекты электродинамической теории микрополосковых диаграммооб-разующих устройств. Изв. ВУЗов, Радиофизика, t.XXXVII, №4, 1994, с.422-434.

70.Скарлупина А.В. Расчет волноводно-микрополосковых переходов с учетом влияния отверстия ввода. В мат. Конференции аспирантов РГУ, Ростов-на-Дону, 1994.

71.Гальченко Н.А., Гальченко Г.А., Скарлупина А.В., Вартаньян С.А. Определение матрицы рассеяния плоских неоднородностей штыревого типа в прямоугольном волноводе. В сб. «Актуальные проблемы электронного приборостроения», тезисы докладов международной научно-техн. Конференции, Саратов, 1996, ч.1, с. 162164.

72.Galchenko N.A., Galchenko G.A., Skarlupina A.V. The matrix theory of non uniform waveguide structures excitation. В мат. VI Междуна-

родной Научно-Техн. Конференции «Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» MMET-96, Львов, Украина, 1996.

73.Galchenko N., Skarlupina A., Vartanyan S. Method of virtual autonomous blocks in matrix-electrodynamical theory of microwave components. Int. Symp. «On Applied Electromagnetism», Greece, 1996.

74.Скарлупина A.B., Вартаньян C.A. Определение S-параметров плоского штыря в прямоугольном волноводе. В мат. Конференции аспирантов РГУ, Ростов-на-Дону, 1996.